TWI424654B - 使用自動電池平衡之電容充電系統與方法 - Google Patents

Description

使用自動電池平衡之電容充電系統與方法

本發明之標的係關於電源供應器電路，更特定言之，係關於為例如超級電容器等串聯電容器元件進行充電之電路及方法。

超級電容器代表電氣儲能領域的最新創新之一，其可應用於涉及大容量能量儲存及功率分配之許多領域。與傳統電容器相比，此等新組件允許非常高之能量密度以及較高功率密度。可根據一雙層電容器技術製造超級電容器，以增加其電荷密度。但是，雙層電容器之最大電壓較低。因此需要將超級電容器之元件或電池串聯連接，以支援較高電壓之操作，從而可以達到一可接受之功率轉換效率。

由於個別雙層電容器上之電壓取決於電荷，而且可能各不相同，所以由串聯電容器電池組成之超級電容器系統需要一種電路，以等化個別電容器電池上之電壓。傳統上，電壓等化電路包括並聯連接至該等電容器電池之被動式電阻器或稽納二極體。但是，此等電路存在高功率損耗問題。

其他習知電壓等化電路在個別電容器電池上使用主動式電壓平衡。主動式電壓平衡可使用一降壓型/升壓型轉換器、返馳轉換器或一運算放大器電路實現。但是，對電容器單元上之電壓進行主動平衡需要非常複雜之電路。

因此，希望創建一種簡單、高效之電路，用於為串聯連接電容器充電，以提供自動電壓平衡。

根據本發明，提供一種電路，用於為一電容器組合充電，該電容器組合具有串聯連接之第一、第二電容元件。舉例而言，該等第一、第二電容元件可係超級電容器。該電路包括：一輸入節點，用於接收一輸入；一耦接至該電容器組合之輸出節點；一可連接至該輸入節點及該輸出節點之第三電容元件；以及耦接至該第三電容元件之第一、第二開關電路。一電壓感測器決定該第一電容元件之第一電壓與該第二電容元件之第二電壓之間的關係，以根據該等電壓之間的關係分別控制第一、第二開關電路之開關。

根據本發明之一具體實施例，該第一開關電路可包括一第一開關元件群組，該第二開關電路可包括一第二開關元件群組。一振盪器可被耦接至該等開關元件，以產生一第一時脈訊號來控制該第一開關元件群組之開關，並產生一第二時脈訊號，其相對於該第一時脈訊號可為異相(out of phase)，以控制該第二開關元件群組之開關。

舉例而言，該電壓感測器可決定該第一電壓與該第二電壓之間的差值，以控制該振盪器，藉以當該第一電壓低於該第二電壓時增加該第一時脈訊號之工作週期，以及當該第一電壓高於該第二電壓時，降低該第一時脈訊號之工 作週期。

或者，該電壓感測器可決定該第一電壓與該第二電壓之間一比值，以控制該振盪器，進而若該比值小於一預定值，則增加該第一時脈訊號之工作週期，而若該比值大於該預定值，則降低該第一時脈訊號之工作週期。

根據本發明之一具體實施例，當該第一時脈訊號處於一第一邏輯位準時，第一群組中之開關可被閉合，而當該第一時脈訊號處於一第二邏輯位準時，其可被開啟。當該第二時脈訊號處於第一邏輯位準時，該第二群組中之開關元件可被閉合，而當該第二時脈訊號處於該第二邏輯位準時，其可被開啟。

一比較器可將該輸出節點處之輸出電壓與一基準電壓位準進行比對，以控制該振盪器，藉以防止該等第一、第二群組中之開關元件在該輸出電壓達到該基準電位位準時開關。

一輸入電流驅動電路可被耦接至該輸入節點，用於控制自該輸入節點流出之輸入電流，使該輸入電流在該第一時脈訊號之兩相位中均大體恆定。該輸入驅動電流可包括：-一電流源，-一第一電流鏡電路，其耦接於該輸入節點及該電流源之間，-一第二電流鏡電路，其耦接於該輸入節點及該第三開關元件之間，以及-一第三電流鏡電路，其耦接於該輸入節點及第一開關元件之間。

根據本發明之一具體實施例，該第一開關群組可包括：-一第一開關元件，其耦接於該第三電容元件及該輸入驅動電路之間，以及-一第二開關元件，其耦接於該第三電容元件及一接地節點之間。

該第二開關群組可包括：-一第三開關元件，其耦接於該輸入驅動電路及該等第一、第二電容元件之間的一共用節點之間，-一第四開關元件，其耦接於該第三電容元件及該輸出節點之間，以及-一第五開關元件，其耦接於該第三電容元件及該共用節點之間。

根據本發明之另一具體實施例，該第一開關群組可包括：-一第一開關元件，其耦接於該第三電容元件及該輸入驅動電路之間，以及-一第二開關元件，其耦接於該第三電容元件及一接地節點之間。

該第二開關群組可包括：-一第三開關元件，其耦接於該輸入驅動電路及該第三電容元件之間，-一第四開關元件，其耦接於該第三電容元件及該輸出節點之間，以及-一第五開關元件，其耦接於該第三電容元件與該等第一、第二電容元件之間的一共用節點之間。

根據本發明之一種方法，使用一充電電路為一電容器件充電，該充電電路具有一第三電容元件及第一、第二開關電路，該電容器件具有串聯連接之第一、第二電容元件。該方法涉及：提供一第一時脈訊號，以控制該第一開關電路之開關，及提供一第二時脈訊號，其相對於該第一時脈訊號可為異相，以控制該第二開關電路之開關。當該第一開關電路處於一第一開關狀態且該第二開關電路處於一第二開關狀態時，自一輸入對該第三電容元件充電。當該第一開關電路處於該第二開關狀態，且該第二開關電路處於該第一開關狀態時，則由該第三電容元件處之電荷對該第一電容元件充電，自該輸入對該第二電容元件充電。決定該第一電容元件處之第一電壓與該第二電容元件處之第二電壓之間的關係，以根據該等電壓之間的關係修改該第一時脈訊號之工作週期。

具體而言，可以決定該第一電壓與該第二電壓之間的差值，以當該第一電壓小於該第二電壓時，增加該第一時脈訊號之工作週期，而當該第一電壓大於該第二電壓時，降低該工作週期。

或者，可以決定該第一電壓與該第二電壓之間一比值，如果該比值小於一預定值，則增加該第一時脈訊號之工作週期，而如果該比值大於該預定值，則降低該工作週期。

根據以下詳盡描述，熟習此項技術者易於理解本發明之額外優點及態樣，在該詳盡描述中，僅藉由說明能夠實現本發明之最佳方式來示出及描述本發明之具體實施例。如下文之說明，本發明可有其他不同具體實施例，並且可在各個其他態樣對本發明之幾處細節進行修改，所有這些均不脫離本發明之精神。因此，該等圖式及說明在實質上應被看作說明性，而非限制性的。

將使用用於對一對串聯電容器進行充電之電路之特定實例來說明本發明。但顯然，本發明之概念適用於任何以下用途之電路：即對具有串聯電容器之電容器件進行充電之電路。

第1圖示出一例示性充電電路100，用於為串聯連接之電容器C1及C2充電。舉例而言，電容器C1及C2可係根據一雙層電容器技術製造之超級電容器。充電電路100包括：一輸入節點V_IN ，耦接至一輸入電源以接收輸入電壓V_IN ；以及一輸出節點C_OUT ，用於提供自該輸入電壓V_IN 產生之經調整輸出電壓。該等電容器C1及C2被耦接至該輸出節點C_OUT 。舉例而言，該節點C_OUT 被連接至該電容器C1，該電容器C2可被串聯連接至該電容器C1。在該等電容器C1及C2之間可以提供一共用節點Cx。

該充電電路100可包括一電容器C3及耦接至該電容器C3之開關S1、S2、S3、S4及S5。一振盪器102產生提供至該等開關之時脈訊號CLK及CLKB，以控制其開關。該等時脈訊號CLK及CLKB可係所產生之數位周期脈衝波形，其相互異相。如下文之更詳盡討論，在簡短空白間隔期間，兩時脈訊號CLK及CLKB均可處於一低位準。

具體而言，該CLK訊號可被提供至包含該等開關S1及S2之第一開關群組，該CLKB訊號可被提供至包含該等開關S3、S4及S5之第二開關群組。當該CLK訊號處於一高位準時，該等開關S1及S2被閉合，而當該CLK訊號處於一低位準時，該等開關S1及S2被開啟。當該CLKB訊號處於一高位準時，該等開關S3、S4及S5被閉合，而當該CLKB訊號處於一低位準時，該等開關S3、S4及S5被開啟。

另外，該充電電路100可包括一磁滯比較器(hysteretic comparator)104，其具有連接至該振盪器102之一輸出。該比較器104感測該輸出節點C_OUT 處之電壓，並將此電壓與基準電壓V_REF 進行比較，該基準電壓V_REF 可由一基準電壓源(未示出)提供。該基準電壓V_REF 被選擇用以設定該充電電路100之一臨限位準。當該節點C_OUT 處之電壓達到該臨限位準時，該比較器104之輸出可處於一低位準，以向該振盪器102提供一STOP訊號，藉以防止該振盪器102產生該等時脈訊號CLK及CLKB，以停止該等開關S1-S5之開關操作。當該節點C_OUT 處之電壓低於該臨限電壓位準時，該比較器104可產生一低位準之輸出訊號RUN，以允許產生該等時脈訊號CLK及CLKB，藉以允許該等開關S1-S5之開關操作。

可在該輸出節點C_OUT 及一接地節點之間安排由電阻器R1、R2及R3構成之電阻器串。該比較器104之一反相輸入可被連接至該等電阻器R2及R3之間的節點。該基準電壓V_REF 可被提供至該比較器104之一非反相輸入。

此外，一運算放大器106被耦接至該振盪器102之輸入。該運算放大器106可具有一非反相輸入，其耦接至該等電容器C1及C2之間的共用節點Cx，還可具有一反相輸入，其耦接至該等電阻器R1及R2之間的節點。舉例而言，R1之電阻可等於R2及R3之電阻總和，以將該放大器106之反相輸入電勢(potential)保持為等於輸出節點C_OUT 處電壓之一半，以使電容器C1處之電壓V₁ 等於電容器C2處之電壓V₂ 。或者，可選擇一預定電阻器比值R，以決定電 壓V₁ 及電壓V₂ 之間的期望電壓比值，其中：，以及 R₁ 、R₂ 及R₃ 分別係電阻器R1、R2及R3之電阻值。

如下文之更詳盡討論，該放大器106決定該等電壓V₁ 與V₂ 之間的關係，且相應修改該時脈訊號CLK之工作週期。舉例而言，當R₁ =R₂ +R₃ 時，該放大器106可決定V₁ 與V₂ 之間的差值，且修改該CLK訊號之工作週期，使V₁ 等於V₂ 。或者，當設定該預定電阻器比值R時，該放大器106可決定電壓比值V₁ /V₂ ，且修改該CLK訊號之工作週期，以將該電壓比值V₁ /V₂ 設定於一期望值R。

另外，該充電電路100可包括一可程式化電流源108，該電流源108耦接至與該輸入節點V_IN 相連接之電流鏡M1、M2及M3。該等電流鏡M1、M2及M3控制該時脈訊號CLK周期之每一階段期間之輸入電流I_IN ，以降低輸入電壓V_IN 源之電壓波動，該電壓波動可能導致雜訊。該等電流鏡M1、M2及M3提供輸入電流I_IN ，除該等簡單空白間隔之外，該輸入電流I_IN 在該時脈訊號CLK周期之兩個階段中均為恆定。例如，該電流鏡M1可由一場效應電晶體(FET)提供。該等電流鏡M2及M3可由FET提供，該等FET之有效閘極寬長比面積為M1之閘極寬長比面積之M倍。如此在M2/M3與M1之間提供一電流增益M。

在第1圖之例示性具體實施例中，該開關S1被連接於該電流鏡M3與該電容器C3之間，該開關S2被耦接於該電容器C3與該接地節點之間，該開關S3被連接於該電流鏡M2與該共用節點Cx之間，該開關S4被耦接於該電容器C3與該輸出節點C_OUT 之間，該開關S5被連接於該電容器C3與該共用節點Cx之間。

當該等開關S1及S2閉合、該等開關S3、S4及S5開啟時，輸入電流I_IN 自該輸入節點V_IN 流經該電流鏡M3及開關S1，以為該電容器C3充電。同時，電流自電容器C3流經開關S2到達接地點。

當該等開關S3、S4及S5閉合、該等開關S1及S2開啟時，該輸入電流I_IN 自該輸入節點流經該電流源M2、開關S3、電容器C3及開關S4，以為該等輸出電容器C1及C2充電。同時，在該電容器C3與該輸出電容器C1之間還直接發生經由開關S4及S5之電荷轉移。

在一穩定狀態中，在每一時脈周期中，當該等開關S1及S2閉合時，增加至該電容器C3之電荷dQ_3x 等於當該等開關S3、S4及S5閉合時自電容器C3轉移至電容器C1之電荷。具體而言，

dQ _3x =dQ _3y =dQ ₁ =M ‧I ‧t _x ，式中

dQ_3Y 係該等開關S3、S4及S5閉合時，自電容器C3傳送之電荷，dQ₁ 係傳送至電容器C1之電荷，t_x 係在每一時脈周期中該等開關S1及S2閉合之時間，以及M*I對應於在時間t_x 期間流經該電流鏡M3之平均電流(其中M為電流鏡M3之乘法因數，I係提供至M3之電流)。

在每一時脈周期期間，當該等開關S3、S4及S5閉合時，轉移給該電容器C2之電荷dQ₂ 等於：

dQ ₂ =M ‧I ‧t _y ，其中

t_y 係該等開關S3、S4及S5在每一時脈周期中閉合之時間，而M*I對應於在該時間t_y 期間流經該電流鏡M2之平均電流(其中M為電流鏡M2之乘法因數，I係提供至M2之電流)。

在一穩定狀態中，如果R1之電阻等於R2及R3之電阻總和，則該電容器C1兩端之電壓V₁ 等於該電容器C2兩端之電壓V₂ 。另外，在每一時脈周期中，該電容器C1兩端之電壓變化dV₁ 等於該電容器C2之電壓變化dV₂ ：

式中，C₁ 及C₂ 分別為該等電容器C1及C2之電容。相應地，

因此，在每一時脈周期中該等開關S1及S2閉合之時間t_x 與每一時脈周期中該等開關S3、S4及S5閉合之時間t_y 之比值，係由電容器C1及C2之電容比值界定。

如上文之討論，該運算放大器106監測電壓V₁ 及V₂ 之間的關係，以修改該時脈訊號CLK之工作週期，該工作週期決定時間t_x 與t_y 之間的比值。結果，可以實現V₁ 與V₂ 之間的期望關係。

具體而言，為使電壓V₁ 等於電壓V₂ ，可使R1之電阻等於R2及R3之電阻總合，使節點C_x 及連接至此節點之放大器106之反相輸入保持一電勢，該電勢為該輸出節點C_OUT 處電壓之一半。當該電容器C1兩端之電壓V₁ 小於該電容器C2兩端之電壓V₂ 時，該節點Cx之電壓變得高於該節點C_OUT 處電壓之一半。作為回應，該運算放大器106產生一輸出訊號，以控制該振盪器102，藉以增加該時脈訊號CLK之工作週期。該CLK訊號工作週期之此種增加導致在該t_x 期間添加至該電容器C3之電荷量dQ_3x 之相應增加。因此，在該時間t_y 內自該電容器C3轉移至該電容器C1之電荷量dQ₁ =dQ_3y 亦增加，而在t_y 期間自該輸入節點V_IN 轉移至該電容器C2之電荷dQ₂ 減少。結果，該電壓V₂ 之提升速度慢於電壓V₁ 之提升速度，直到它們變為相等為止。

當該電容器C1兩端之電壓V₁ 大於該電容器C2兩端之電壓V₂ 時，該節點Cx處之電壓變得低於該節點C_OUT 處電壓之一半。作為回應，該運算放大器106產生一輸出訊號，以控制該振盪器102，藉以縮小該時脈訊號CLK之工作週期。當該CLK訊號之工作週期縮小時，在該時間t_x 內添加至該電容器C3之電荷dQ_3x 減少。在該時間t_y 內自該電容器C3轉移至該電容器C1之電荷量dQ₁ =dQ_3y 亦會減少，而在t_y 期間自該輸入節點V_IN 轉移至該電容器C2之電荷dQ₂ 增加。結果，該電壓V₂ 之提升速度快於電壓V₁ 之提升速度，直到它們變為相等為止。

或者，該充電電路100可以不使電壓V₁ 與V₂ 相等，而是建立一期望電壓比。在此情況下，可以選擇電阻R₁ 、R₂ 及R₃ ，以設定。

在一穩定狀態下，該等電容器C1及C2之電壓比值等於R。另外，在每一時脈周期中，該電壓V₁ 之變化dV₁ 相對於該電壓V₂ 之變化dV₂ 亦等於R。由於

當V₁ 與V₂ 之間的電壓比值小於預定值R時，節點Cx處之電壓(其被耦接至該運算放大器106之非反相輸入端)高於節點V_R (介於電阻器R1與R2之間)處之電壓(其被連接至該放大器106之反相輸入端)。作為回應，該運算放大器106之輸出控制該振盪器102，以增加該訊號CLK之工作週期。該CLK訊號工作週期之此種增加導致在該t_x 期間添加至該電容器C3之電荷量dQ_3X 之相應增加。因此，在該時間t_y 內自該電容器C3轉移至該電容器C1之電荷量dQ₁ =dQ_3y 亦增加，而在時間t_y 內自該輸入節點V_IN 轉移至該電容器C2之電荷dQ₂ 減少。結果，該電壓V₂ 之提升速度慢於電壓V₁ 之提升速度，直到其比值V₁ /V₂ 變得等於R為止。

當V₁ 與V₂ 之間的電壓比值大於該預定值R時，在該Cx引腳處之電壓變得低於節點V_R 處之電壓。作為回應，該運算放大器106產生一輸出訊號，以控制該振盪器102，藉以縮小該時脈訊號CLK之工作週期。當該CLK訊號之工作週期縮小時，在該時間t_x 內添加至該電容器C3之電荷dQ_3x 減少。在該時間t_y 內自該電容器C3轉移至該電容器C1之電荷量dQ₁ =dQ_3y 亦減少，而在t_y 期間自該輸入節點V_IN 轉移至該電容器C2之電荷dQ₂ 增加。結果，該電壓V₂ 之提升速度快於電壓V₁ 之提升速度，直到其比值V₁ /V₂ 變得等於R為止。

第2圖示出本發明之另一例示性具體實施例，其中一充電電路200(用於為串聯連接電容器C1及C2充電)具有類似於第1圖中充電電路100之元件。但是，在該充電電路200中，該開關S3被連接於該電流鏡M2與該電容器C3之間，而非如第1圖所示連接於該電流鏡M2與該共用點Cx之間。

由該振盪器102產生之CLK訊號被提供至該等開關S1及S2，以控制其開關操作，且由振盪器102產生之CLKB訊號被提供至該等開關S3、S4及S5，以控制其開關操作。當該CLK訊號處於一高位準時，該等開關S1及S2被閉合，而當該CLK訊號處於一低位準時，該等開關S1及S2被開啟。當該CLKB訊號處於一高位準時，該等開關S3、S4及S5被閉合，而當該CLKB訊號處於一低位準時，該等開關S3、S4及S5被開啟。

當該等開關S1及S2閉合、該等開關S3、S4及S5開啟時，輸入電流I_IN 自該輸入節點V_IN 流經該電流鏡M3及開關S1，以為該電容器C3充電，且來自該電容器C3之電流流經該開關S2至接地點。當該等開關S3、S4及S5閉合、該等開關S1及S2開啟時，該輸入電流I_IN 自該輸入節點V_IN 流經該電流鏡M2、開關S3、電容器C3及開關S4，以為該等輸出電容器C1及C2充電。同時，在該電容器C3與該電容器C1之間還直接發生經由開關S4及S5之電荷轉移。當開關S3/S4/S5閉合時，流經該電容器C3之總電流等於流經該電容器C1之電流。另外，該電容器C2中之電流等於該輸入電流I_IN 。

在一穩定狀態中，在每一時脈周期中，當該等開關S1及S2閉合時，增加至該電容器C3之電荷dQ_3x 等於當該等開關S3、S4及S5閉合時自電容器C3轉移至電容器C1之電荷。具體而言，

dQ _3X =dQ _3Y =dQ ₁ =M ‧I ‧t _x ，式中

dQ_3Y 係該等開關S3、S4及S5閉合時，自電容器C3轉移之電荷，dQ₁ 係轉移至電容器C1之電荷，t_x 係在每一時脈周期中該等開關S1及S2閉合之時間，以及M*I對應於在時間t_x 期間流經該電流鏡M3之平均電流(其中M為電流鏡M3之乘法因數，I係提供至M3之電流)。

在每一時脈周期期間，當該等開關S3、S4及S5閉合時，轉移至該電容器C2之電荷dQ₂ 等於：

dQ ₂ =M ‧I ‧t _y ，其中

t_y 係該等開關S3、S4及S5在每一時脈周期中閉合之時間，而M*I對應於在該時間t_y 期間流經該電流鏡M2之平均電流(其中M為電流鏡M2之乘法因數，I係提供至M2之電流)。

在一穩定狀態中，如果R1之電阻等於R2及R3之電阻總和，則該電容器C1兩端之電壓V₁ 等於該電容器C2兩端之電壓V₂ 。另外，在每一時脈周期中，該電容器C1兩端之電壓變化dV₁ 等於該電容器C2之電壓變化dV₂ ：

式中，C₁ 及C₂ 分別為該等電容器C1及C2之電容。相應地，

因此，在每一時脈周期中該等開關S1及S2閉合之時間t_x 與每一時脈周期中該等開關S3、S4及S5閉合之時間t_y 之比值由電容器C1及C2之電容比值界定。

該充電電路200之工作方式類似於該充電電路100之工作方式。具體而言，可以選擇該等電阻器R1、R2及R3之電阻，使該等各別電容器C1及C2兩端之電壓V₁ 及V₂ 相等，或者設定此等電壓之間一期望比值。該運算放大器106監測該等電壓V₁ 與V₂ 之間的關係，以修改該時脈訊號CLK之工作週期，直到達成期望關係為止。

第3a圖至第3c圖示出分別流經該等電容器C1及C2之電流I_C1 及I_C2 之例示性波形。另此，此等圖形示出自輸入節點V_IN 流出之電流I_IN ，及流經該等輸出電容器C1及C2之電流I_OUT 。該等時脈訊號CLK及CLKB決定時間間隔t_x (該等開關S1及S2在每一時脈周期中之閉合時間)及t_y (該等開關S3、S4及S5在每一時脈周期中之閉合時間)。具體而言，該時間間隔t_x 對應於該CLK訊號處於一高位準時時刻t1與t2之間的間隔。該時間間隔t_y 對應於該CLKB訊號處於一高位準時時刻t3與t4之間的間隔。提供該等時脈訊號CLK及CLKB，使其相互異相。但是，可在每一時脈周期中該等時刻t2與t3之間，以及t4與t1之間提供簡短空白間隔，在此期望，該等時脈訊號CLK及CLKB均為低位準。在該等空白間隔期間，所有開關S1至S5均為開啟的，以防止該輸入電壓V_IN 或電容器C3兩端之電壓短路至接地節點或輸出節點C_OUT 。該輸入電流I_IN 受到控制，使其在該等簡短空白間隔之外的時間內保持恆定。

第3a圖示出當t_x =t_y 時，分別流經該等電容器C1與C2之電流I_c1 與I_c2 。第3b圖示出當時間間隔t_x 小於時間間隔t_y 時之電流I_C1 及I_C2 。第3c圖示出當時間間隔t_x 超出時間間隔t_y 時之電流I_C1 及I_C2 。

在兩時間間隔t_x 及t_y 期間，該輸入電流I_IN 等於M*I。在時間間隔t_y 期間流經該輸出電容器C2之電流I_C2 也等於M*I。在時間間隔t_y 期間經流該輸出電容器C1之平均電流值等於

可以控制該振盪器102，以將該等時脈訊號CLK及CLKB之工作週期限制為例如大約25%與大約75%之間的間隔。該等時脈訊號CLK及CLKB之工作週期可被限制，例如，以避免出現未向一開關提供足夠時間使其達到完全閉合狀態之情況，避免出現經流一開關之電流超出其最大允許電流之情況，或者避免該電容器電流超出其最大允許電流之情況。

該時脈訊號CLK在該時脈CLKB之整個時脈周期內可以保持低位準，而時脈訊號CLKB可在該時脈訊號CLK之整個時脈周期內保持低位準。例如，如果該電容器C1或C2呈現其失去電荷之行為(泄漏)，而另一電容器未有此行為，則有必要使該等時脈訊號CLK與CLKB具有接近100%或0%之工作週期，以於電容器C1及C2兩端維持相等之電壓。如上所述，為避免特定情況，該等時脈訊號CLK及CLKB之小工作週期及大工作週期可能不符合吾人之需求。因此，允許時脈訊號CLK或時脈訊號CLKB在另一時脈訊號之一整個時脈周期內保持為低位準可能係有利的。

上述說明示出和描述本發明之態樣。此外，本發明僅顯示及說明較佳具體實施例，但如前所述，應當理解，本發明可用於各種其他組合、更改及環境中，且能夠在本文所述之發明概念範圍內作出與以上講授及/或相關領域之技術或知識相稱之更改或變更。

上文所述之具體實施例更被用於解釋實施本發明之習知最佳模式，且使其他熟習此項技術者能夠在此等或其他具體實施例中應用本發明，且可根據本發明之特定應用或用途之需要進行各種修改。

相應地，該說明無意於將本發明限制於本文所揭示之形式。另外，希望隨附申請專利範圍被理解為包括替代具體實施例。

100‧‧‧充電電路

102‧‧‧振盪器

104‧‧‧比較器

106‧‧‧運算放大器

108‧‧‧可程式化電流源

200‧‧‧充電電路

C1,C2‧‧‧電容器

Cx‧‧‧共用節點

CLK,CLKB‧‧‧時脈訊號

C_OUT ‧‧‧輸出節點

M1,M2,M3‧‧‧電流鏡

R1,R2,R3‧‧‧電阻器

S1,S2,S3,S4,S5‧‧‧開關

V_IN ‧‧‧輸入節點

V_REF ‧‧‧基準電壓

當結合隨附圖式閱讀時，可以最佳理解本發明之具體實施例的以下詳盡說明，在該等圖式中，各組件不一定係按比例繪出，而是為最佳說明該組件而繪出，在該等圖式中：第1圖示出本揭示案之一例示性具體實施例。

第2圖示出本揭示案之另一例示性具體實施例。

第3(a)圖至第3(c)圖顯示流經被充電電容器之電流。

100‧‧‧充電電路

102‧‧‧振盪器

104‧‧‧比較器

106‧‧‧運算放大器

108‧‧‧可程式化電流源

C1,C2‧‧‧電容器

Cx‧‧‧共用節點

CLK,CLKB‧‧‧時脈訊號

C_OUT ‧‧‧輸出節點

M1,M2,M3‧‧‧電流鏡

R1,R2,R3‧‧‧電阻器

S1,S2,S3,S4,S5‧‧‧開關

V_IN ‧‧‧輸入節點

V_REF ‧‧‧基準電壓

Claims (30)

1. 一種用於為一電容器組合充電之電路，該電容器組合具有串聯連接之第一及第二電容元件，該電路包括：一接收一輸入之輸入節點，一耦接至該電容器組合之輸出節點，一可連接至該輸入節點及該輸出節點之第三電容元件，第一及第二開關電路，其耦接至該第三電容元件，以及一電壓感測器，用於決定該第一電容元件之第一電壓與該第二電容元件之第二電壓之間的關係，以根據該關係分別控制該第一開關電路與該第二開關電路之開關操作。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電路，更包括一振盪器，用於產生一第一時脈訊號以控制該第一開關電路之開關操作，且用於產生一第二時脈訊號以控制該第二開關電路之開關操作。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該電壓感測器被組態用以決定該第一電壓與該第二電路之間的一差值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電路，其中該電壓感測器被組態用以控制該振盪器，以在該第一電壓低於該第二電壓時增加該第一時脈訊號之該工作週期，且在該第一電壓大於該第二電壓時降低該第一時脈訊號之該工作週期。
5. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該電壓感測器被組態用以決定該第一電壓與該第二電路之間的一比值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電路，其中該電壓感測器被組態用以控制該振盪器，以在該比值小於一預定值時增加該第一時脈訊號之該工作週期，且在該比值大於該預定值時降低該第一時脈訊號之該工作週期。
7. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該第一開關電路包括一第一開關元件群組，該第二開關電路包括一第二開關元件群組。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電路，其中當該第一時脈訊號處於一第一邏輯位準時，該第一群組中之開關元件閉合，當該第一時脈訊號處於一第二邏輯位準時，該第一群組中之該等開關元件開啟。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電路，其中該第二時脈訊號與該第一時脈訊號係為異相(out of phase)。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電路，其中當該第二時脈訊號處於該第一邏輯位準時，該第二群組中之開關元件閉合，當該第二時脈訊號處於該第二邏輯位準時，該第二群組中之該等開關元件開啟。
11. 如申請專利範圍第2項所述之電路，更包括一比較器，其被組態用於將該輸出節點處之輸出電壓與一基準電壓位準進行比較，以防止該等第一及第二開關電路在該輸出電壓達到該基準電壓位準時進行開關。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電路，其中該比較器被組態用於控制該振盪器。
13. 如申請專利範圍第7項所述之電路，更包括一輸入驅動電路，其耦接至該輸入節點，用於控制流經該輸入節點之輸入電流，以使該輸入電流在該第一時脈訊號之兩相位中大體恆定。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電路，其中該第一開關元件群組包括：一第一開關元件，其耦接於該第三電容元件及該輸入驅動電路之間，以及一第二開關元件，其耦接於該第三電容元件及一接地節點之間。
15. 如申請專利範圍第14項所述之電路，其中該第二開關元件群組包括：一第三開關元件，其耦接於該輸入驅動電路及該等第一、第二電容元件之間的一共用節點之間，一第四開關元件，其耦接於該第三電容元件及該輸出節點之間，以及一第五開關元件，其耦接於該第三電容元件及該共用節點之間。
16. 如申請專利範圍第15項所述之電路，其中該輸入驅動電路包括：一電流源，一第一電流鏡電路，其耦接於該輸入節點及該電流源之間，一第二電流鏡電路，其耦接於該輸入節點及該第三開關元件之間，以及一第三電流鏡電路，其耦接於該輸入節點及第一開關元件之間。
17. 如申請專利範圍第13項所述之電路，其中該第一開關元件群組包括：一第一開關元件，其耦接於該第三電容元件及該輸入驅動電路之間，以及一第二開關元件，其耦接於該第三電容元件及一接地節點之間。
18. 如申請專利範圍第17項所述之電路，其中該第二開關元件群組包括：一第三開關元件，其耦接於該輸入驅動電路及該第三電容元件之間，一第四開關元件，其耦接於該第三電容元件及該輸出節點之間，以及一第五開關元件，其耦接於該第三電容元件與及該等第一、第二電容元件之間的一共用節點之間。
19. 如申請專利範圍第18項所述之電路，其中該輸入驅動電路包括：一電流源，一第一電流鏡電路，其耦接於該輸入節點及該電流源之間，一第二電流鏡電路，其耦接於該輸入節點及該第三開關元件之間，一第三電流鏡電路，其耦接於該輸入節點及第一開關元件之間。
20. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該振盪器受到控制，以將該等第一、第二時脈訊號之工作週期限制為一預定範圍。
21. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該振盪器受到控制，以將該等第一、第二時脈訊號之工作週期限制為自大約25%至大約75%之一範圍。
22. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該振盪器受到控制，以在該第一時脈訊號之一整體時脈周期期間停用該第二時脈訊號。
23. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該等第一及第二電容元件係超級電容器。
24. 一種使用一充電電路為一電容器件進行充電之方法，該電容器件具有串聯連接之第一及第二電容元件，該充電電路具有一第三電容元件及第一、第二開關電路，該方法包括以下步驟：提供一第一時脈訊號，以控制該第一開關電路之開關操作，且提供一第二時脈訊號，該第二時脈訊號相對於該第一時脈訊號係為異相，以控制該第二開關電路之開關操作，當該第一開關電路處於一第一開關狀態且該第二開關電路處於一第二開關狀態時，自一輸入對該第三電容元件充電，當該第一開關電路處於該第二開關狀態，且該第二開關電路處於該第一開關狀態時，則由該第三電容元件處之電荷對該第一電容元件充電，並自該輸入對該第二電容元件充電，以及決定該第一電容元件處之第一電壓與該第二電容元件處之第二電壓之間的關係，以根據該關係修改該第一時脈訊號之該工作週期。
25. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中決定一關係之該步驟包括決定該第一電壓與該第二電壓之間的一差值之步驟。
26. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中當該第一電壓小於該第二電壓時，增加該第一時脈訊號之該工作週期，而當該第一電壓大於該第二電壓時，則降低該第一時脈訊號之該工作週期。
27. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中決定一關係之該步驟包括決定該第一電壓與該第二電壓之間的一比值之步驟。
28. 如申請專利範圍第27項所述之方法，其中若該比值小於一預定值，則增加該第一時脈訊號之該工作週期，而若該比值大於該預定值，則降低該第一時脈訊號之該工作週期。
29. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該等第一、第二時脈訊號之一工作週期被限制於大約25%至大約75%之間的一範圍內。
30. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中在該第一時脈訊號之一整體時脈周期期間，該第二時脈訊號被停用。