TWI605676B - 切換式電容直流對直流轉換器電路及其產生方法 - Google Patents

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Description

切換式電容直流對直流轉換器電路及其產生方法
本發明是有關於一種切換式電容直流對直流轉換器電路及其產生方法，特別是指能減少切換耗損的切換式電容直流對直流轉換器電路，以及產生此電路的方法。
切換式電容直流對直流轉換器(Switched-capacitor DC-DC power converter, SCPC)電路具有轉換效率高且不須要使用外部電感元件的優點，適合整合於晶片內，所以已經大量使用於MCU內部作為電壓轉換電路。
切換式電容直流對直流轉換器電路包含至少一個電容以及多個開關，而在其操作過程中，多個開關係頻繁地被切換成導通或截止狀態，且電容兩端上的電壓也會頻繁地變化。因為電路製程以及電容結構的關係，上述電容結構與晶片內部的其他結構之間(例如與矽基板之間)會形成寄生電容，所以當電容兩端上的電壓頻繁地變化時，寄生電容也被頻繁地充放電，而造成不必要的功率耗損(power loss)。
為了解決上述問題，本發明提供一種切換式電容直流對直流轉換器電路及其產生方法，以減少不必要的功率耗損。
根據本發明之一實施例，切換式電容直流對直流轉換器電路包含一第一切換式電容電路、一第二切換式電容電路以及至少一第五開關。第一切換式電容電路包含一第一輸入端、一第一輸出端、複數個第一開關、複數個第二開關以及至少一第一電容。複數個第一開關與複數個第二開關係分別連接至少一第一電容，複數個第一開關係由一第一控制訊號所控制，複數個第二開關係由一第二控制訊號所控制。第二切換式電容電路包含一第二輸入端、一第二輸出端、複數個第三開關、複數個第四開關以及至少一第二電容。複數個第三開關與複數個第四開關係分別連接至少一第二電容，複數個第三開關係由第二控制訊號所控制，複數個第四開關係由該第一控制訊號所控制。至少一第五開關係電性連接於至少一第一電容以及至少一第二電容，且由一第三控制訊號所控制。第一輸入端以及第二輸入端係電性連接並接收輸入電壓，第一輸出端以及第二輸出端係電性連接並輸出上述輸出電壓，而至少一第一電容以及至少一第二電容的電容值相同，第一切換式電容電路之元件連接架構與第二切換式電容電路之元件連接架構相同，而複數個第一開關係對應於複數個第三開關，而複數個第二開關係對應於複數個第四開關。第一控制訊號之開關導通期間、第二控制訊號之開關導通期間以及第三控制訊號之開關導通期間互不相重疊。
較佳地，在第三控制訊號之該開關導通期間，至少一第五開關導通，且第一控制訊號係控制複數個第一開關以及複數個第四開關截止，而第二控制訊號係控制複數個第二開關以及複數個第三開關截止。
較佳地，至少一第五開關、至少一第一電容以及至少一第二電容的數量皆為複數個，則每一第一電容以及每一第二電容之間係電性連接複數個第五開關之其中一個。
較佳地，至少一第五開關係電性連接於至少一第一電容以及至少一第二電容之相同極性端。
根據本發明之一實施例，一種產生切換式電容直流對直流轉換器電路的方法包含下列步驟：提供一原始切換式電容電路，其包含一輸入端、一輸出端、複數個第一開關、複數個第二開關以及至少一電容，複數個第一開關與複數個第二開關係分別連接該至少一電容，複數個第一開關係由一第一控制訊號所控制，複數個第二開關係由一第二控制訊號所控制；根據原始切換式電容電路，決定一第一切換式電容電路以及一第二切換式電容電路，第一切換式電容電路以及第二切換式電容電路之元件連接架構與原始切換式電容電路相同，而第一切換式電容電路以及第二切換式電容電路之至少一電容之電容值為原始切換式電容電路之至少一電容之電容值的一半，而第一切換式電容電路之複數個第一開關係由第一控制訊號所控制，複數個第二開關係由第二控制訊號所控制，第二切換式電容電路之複數個第一開關係由第二控制訊號所控制，複數個第二開關係由第一控制訊號所控制；電性連接至少一第三開關於第一切換式電容電路之至少一電容以及第二切換式電容電路之至少一電容，至少一第三開關係由一第三控制訊號所控制，且第一控制訊號之開關導通期間、第二控制訊號之開關導通期間以及第三控制訊號之開關導通期間互不相重疊；電性連接第一切換式電容電路以及第二切換式電容電路之輸入端；以及電性連接第一切換式電容電路以及第二切換式電容電路之輸出端。
較佳地，至少一第五開關、至少一第一電容以及至少一第二電容的數量皆為複數個，則每一第一電容以及每一第二電容之間係電性連接複數個第五開關之其中一個。
較佳地，至少一第五開關係電性連接於至少一第一電容以及至少一第二電容之相同極性端。
於此使用，詞彙“與/或”包含一或多個相關條列項目之任何或所有組合。當“至少其一”之敘述前綴於一元件清單前時，係修飾整個清單元件而非修飾清單中之個別元件。
請參閱第1圖，其繪示本發明之切換式電容直流對直流轉換器電路之示意圖。圖中，切換式電容直流對直流轉換器電路包含第一切換式電容電路1、第二切換式電容電路2以及至少一第五開關31。第一切換式電容電路1以及第二切換式電容電路2具有相同的電容數量，而第五開關31的數量係相同於第一切換式電容電路1或第二切換式電容電路2包含的電容數量。
第一切換式電容電路1包含第一輸入端18、第一輸出端19、多個第一開關11、多個第二開關12以及一第一電容10，多個第一開關11與多個第二開關12係分別連接第一電容10。每一第一開關11係由第一控制訊號ф1所控制為導通狀態(closed)或是截止狀態(open)，而每一第二開關12係由第二控制訊號ф2所控制為導通狀態或是截止狀態。
第二切換式電容電路2包含第二輸入端28、第二輸出端29、多個第三開關21、多個第四開關22以及一第二電容20，多個第三開關21與多個第四開關22係分別連接第二電容20。每一第三開關21係由第二控制訊號ф2所控制為導通狀態或是截止狀態，每一第四開關22係由第一控制訊號ф1所控制為導通狀態或是截止狀態。
第五開關31係電性連接於第一電容10以及第二電容20，且由第三控制訊號ф3所控制。如果第五開關31、第一電容10以及第二電容20的數量皆為複數個時，則每一第一電容10以及每一第二電容20之間係電性連接一個第五開關31，亦即，第一電容10、第二電容20以及第五開關31之間為一對一關係。其具體電路連接方式將於下述內容以實施例舉例說明。再者，第五開關31可電性連接於第一電容10以及第二電容20之相同極性端，例如，都連接於第一電容10以及第二電容20之底極板。
請續參閱第2圖，其繪示上述第一控制訊號ф1、第二控制訊號ф2以及第三控制訊號ф3的波形圖。圖中可看出，此三個控制訊號分別包含高電位期間以及低電位期間；在高電位期間，受控制訊號控制的開關係切換為導通狀態，所以高電位期間又稱為開關導通期間；而在低電位期間，受控制訊號控制的開關係切換為截止狀態，所以低電位期間又稱為開關截止期間。
應注意的是，第一控制訊號ф1之開關導通期間T1、第二控制訊號ф2之開關導通期間T2以及第三控制訊號ф3之開關導通期間T3互不相重疊，如第2圖所示。換句話說，在切換式電容直流對直流轉換器電路中，第一開關11以及第四開關22係受第一控制訊號ф1控制，會同時導通或截止；第二開關12以及第三開關21係受第二控制訊號ф2控制，會同時導通或截止；而第一開關11與第四開關22、第二開關12與第三開關21、以及第五開關31，這三群開關不會同時導通。
所以，在第三控制訊號ф3之開關導通期間T3，第五開關31導通，第一控制訊號ф1係控制第一開關11以及第四開關22截止，而第二控制訊號ф2係控制第二開關12以及第三開關21截止。
應注意的是，第一電容10以及第二電容20的電容值係為相同，第一切換式電容電路1之元件連接架構與第二切換式電容電路2之元件連接架構相同，複數個第一開關11係分別一對一對應於複數個第三開關21，而複數個第二開關12係分別一對一對應於複數個第四開關22。
第一輸入端18以及第二輸入端28係電性連接，而第一輸出端19以及第二輸出端29係電性連接。在第一切換式電容電路1的運作過程中，透過第一開關11以及第二開關12的週期性且不相重疊地導通以及截止，第一電容10可持續從第一輸入端18獲得輸入電壓VIN的能量，再將其轉換成輸出電壓VOUT，輸出到第一輸出端19。第二切換式電容電路2的運作原理與第一切換式電容電路1相同，故在此不再贅述。
在第一切換式電容電路1以及第二切換式電容電路2的運作過程中，第一電容10以及第二電容20兩端的電壓為不斷地改變，所以因為第一電容10以及第二電容20之結構而產生的寄生電容便不斷地儲存電荷(當寄生電容兩端的電壓增加)、釋放電荷(當寄生電容兩端的電壓減少)，此現象造成不必要的耗電。所以，在第一開關11、第二開關12、第三開關21以及第四開關22皆截止的情況下，第五開關31導通，藉此平均第一電容10以及第二電容20的寄生電容兩端電壓，減少耗電。
以下將以一電路範例來說明本發明的切換式電容直流對直流轉換器電路。
請參閱第3圖，其繪示本發明之切換式電容直流對直流轉換器電路之一實施例之示意圖。圖中，切換式電容直流對直流轉換器電路包含一第一切換式電容電路5、一第二切換式電容電路6以及三個第五開關701、702及703。第一切換式電容電路5與第二切換式電容電路6各自都有三個電容、六個受第一控制訊號ф1控制的開關以及六個受第二控制訊號ф2控制的開關，而且第一切換式電容電路5以及第二切換式電容電路6的元件連接架構相同。第一切換式電容電路5與第二切換式電容電路6之輸入端係電性連接，皆接收一輸入電壓VIN；而第一切換式電容電路5與第二切換式電容電路6之輸出端係電性連接，皆輸出一輸出電壓VOUT。第五開關701、702及703分別連接在電容C50與C60、電容C51與C61、以及電容C52與C62之間。
以下內容說明在控制訊號ф1以及ф2不同相位的情況下，電容C50與C60之底端的電壓變化進行說明。請參閱第2圖，在期間T1，控制訊號ф1為高位準而控制訊號ф2為低位準，所以開關501、503、505、507導通，而開關502、504、506、508截止，則電容C50之底端的電壓值為VIN/2；同時，開關602、604、606、608導通，而開關601、603、605、607截止，則電容C60之底端接地，其電壓值為0。同樣地，在期間T2，控制訊號ф1為低位準而控制訊號ф2為高位準，所以電容C50之底端的電壓值為0，而電容C60之底端的電壓值為VIN/2。
由此可看出，如果電容C50以及電容60的底端結構與晶片內的其他結構之間(例如與矽基板之間)分別產生寄生電容CBP1與CBP2，則在期間T1，寄生電容CBP1會儲存能量E1 = 1/2*C*(VIN/2)2，其中C為CBP1的電容直，即電容之儲存能量與其兩端的電壓值之平方成正比，所以兩端的電壓值越大，所儲存的能量越高。而在期間T2，電容C50之底端接地，其電壓值為0，亦即寄生電容CBP1兩端的電壓值為0，期間T1所儲存的能量在期間T2皆完全釋放；寄生電容CBP2也會同樣的情況，其造成了切換式電容直流對直流轉換器電路的切換損耗。
因此，本發明之切換式電容直流對直流轉換器電路在不與期間T1與T2相重疊的期間T3將電容C50與電容C60之底端電性連接，使其電壓平均。以第2圖為例，在期間T1，電容C50之底端的電壓值為VIN/2，而電容C60之底端的電壓值為0，所以在期間T3兩者電壓值皆變成VIN/4，因此在期間T2，電容C50之底端的電壓值變為0，其損失的能量僅為原本損失的1/4。而在期間T2，電容C60之底端的電壓值從VIN/4充電到VIN/2，充電的能量也比原本的少。同樣地，在期間T2之後的期間T3，又將將電容C50與電容C60之底端電性連接，使其電壓平均，接著在期間T1又可減少電容C60損耗的能量以及電容C50充電的能量。
透過上述的說明，可解釋在不與期間T1與T2相重疊的期間T3將電容C50與電容C60之底端電性連接的機制如何減少本發明之切換式電容直流對直流轉換器電路的切換損失。而相同的原理可類推到電容C51與C61、以及電容C52與C62，故在此不再贅述。
請參閱第4圖至第6圖，第4圖繪示本發明之切換式電容直流對直流轉換器電路之產生方法之流程圖，而第5圖與第6圖係產生切換式電容直流對直流轉換器電路之過程的示意圖。如第4圖所示，本發明之切換式電容直流對直流轉換器電路之產生方法包含下列步驟。
在步驟S41，提供一原始切換式電容電路(例如第5圖所示的原始切換式電容電路9)，其包含一輸入端、一輸出端、複數個第一開關、複數個第二開關以及至少一電容，該複數個第一開關與該複數個第二開關係分別連接該至少一電容，該複數個第一開關係由一第一控制訊號所控制，該複數個第二開關係由一第二控制訊號所控制。第5圖所示的切換式電容電路9包含一輸入端接收輸入電壓VIN、一輸出端接收VOUT、三個電容C91~C93、受第一控制訊號ф1控制的六個第一開關901、903、905、907、909與911、以及受第二控制訊號ф2控制的六個第一開關902、904、906、908、910與912。每一電容的兩端皆電性連接兩個第一開關以及兩個第二開關。
第5圖所示的切換式電容電路9，其輸出電壓與輸入電壓的關係為：
VOUT=VIN*[(1/2)2+1]/2 = 5/8*VIN
所以輸出電壓與輸入電壓的轉換比例為0.625。
在步驟S42，根據原始切換式電容電路，決定一第一切換式電容電路以及一第二切換式電容電路，且第一切換式電容電路以及第二切換式電容電路之元件連接架構與原始切換式電容電路相同，而第一切換式電容電路以及第二切換式電容電路之至少一電容之電容值為原始切換式電容電路之至少一電容之電容值的一半，而第一切換式電容電路之複數個第一開關係由第一控制訊號所控制，複數個第二開關係由第二控制訊號所控制，第二切換式電容電路之複數個第一開關係由第二控制訊號所控制，複數個第二開關係由第一控制訊號所控制。
如第6圖所示，第一切換式電容電路5以及第二切換式電容電路6的元件連接架構相同，不過電容C50與C60之電容值為第5圖所示的切換式電容電路9的電容C90的一半；同樣地，電容C51與C61之電容值為電容C91的一半，而電容C52與C62之電容值為電容C92的一半。而且在第一切換式電容電路5以及第二切換式電容電路6中，相對應位置上的開關係由不同的控制訊號所控制。
例如，開關501係對應於開關601，兩者分別受到控制訊號ф1以及ф2的控制，也就是說，根據第3圖所示的訊號圖，開關501與601不會同時導通；同樣的機制也適用於開關502與602、開關503與603、開關504與604、開關505與605、開關506與606、開關507與607、開關508與608、開關509與609、開關510與610、開關511與611、以及開關512與612。
接著，在步驟S43，電性連接至少一第三開關於第一切換式電容電路之至少一電容以及第二切換式電容電路之至少一電容，至少一第三開關係由一第三控制訊號所控制。請同時參閱第3圖以及第6圖，第3圖係繪示在第6圖所示之電容50與60之相同極性端之間電性連接開關701、電容51與61之相同極性端之間電性連接開關702、電容52與62之相同極性端之間電性連接開關702。且開關701、702以及703係受控制訊號ф3所控制，而根據第3圖所示的訊號圖，控制訊號ф1之開關導通期間T1、控制訊號ф2之開關導通期間T2以及控制訊號ф3之開關導通期間T3互不相重疊。
在步驟S44，電性連接第一切換式電容電路5以及第二切換式電容電路6之輸入端，以接收輸入電壓VIN。在步驟S45，電性連接第一切換式電容電路5以及第二切換式電容電路6之輸出端，以輸出一輸出電壓VOUT。
應注意的是，第3、5以及6圖所示的電路僅是舉例，本發明不受限於所舉例的電路。本發明之發明精神主要在於可將任何一種切換式電容電路改設計成可降低切換耗損的切換式電容直流對直流轉換器電路，而不影響其原本的輸出電壓與輸出電壓的轉換比例，例如第3圖所示之切換式電容直流對直流轉換器電路的輸出電壓與輸入電壓之比例為0.625，與第5圖所示的電路相同。
除此之外，當各種所繪示及討論的元件被放置在不同的位置時，可以理解的是，各種元件的相對位置可以改變，且同時此處仍保有上述所提及的功能。可以設想到的是，各種組合、具體特徵和實施例之子集合係可以被進行，且此子集合仍然落入本說明書的範圍之內。各種特徵和所公開的實施例可以彼此結合或進行取代，而所有這些修改和改變都將落入本發明之所附申請專利範圍所限定的範圍之內。
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
1、5‧‧‧第一切換式電容電路
10‧‧‧第一電容
11‧‧‧第一開關
12‧‧‧第二開關
18‧‧‧第一輸入端
19‧‧‧第一輸出端
2、6‧‧‧第二切換式電容電路
20‧‧‧第二電容
21‧‧‧第三開關
22‧‧‧第四開關
28‧‧‧第二輸入端
29‧‧‧第二輸出端
31、701~703‧‧‧第五開關
501~512、601~612、901~912‧‧‧開關
C50~C52、C60~C62‧‧‧電容
ф1‧‧‧第一控制訊號
ф2‧‧‧第二控制訊號
ф3‧‧‧第三控制訊號
9‧‧‧原始切換式電容電路
T1、T2、T3‧‧‧開關導通期間
S41~S45‧‧‧步驟流程
本發明之上述及其他特徵及優勢將藉由參照附圖詳細說明其例示性實施例而變得更顯而易知，其中： 第1圖是本發明之切換式電容直流對直流轉換器電路之示意圖。 第2圖是本發明之切換式電容直流對直流轉換器電路之控制訊號之波形圖。 第3圖是本發明之切換式電容直流對直流轉換器電路之一實施例之示意圖。 第4圖是本發明之切換式電容直流對直流轉換器電路之產生方法之流程圖。 第5圖是本發明之切換式電容直流對直流轉換器電路之產生方法之一步驟示意圖。 第6圖是本發明之切換式電容直流對直流轉換器電路之產生方法之另一步驟示意圖。
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
1‧‧‧第一切換式電容電路
10‧‧‧第一電容
11‧‧‧第一開關
12‧‧‧第二開關
18‧‧‧第一輸入端
19‧‧‧第一輸出端
2‧‧‧第二切換式電容電路
20‧‧‧第二電容
21‧‧‧第三開關
22‧‧‧第四開關
28‧‧‧第二輸入端
29‧‧‧第二輸出端
31‧‧‧第五開關
Φ1‧‧‧第一控制訊號
Φ2‧‧‧第二控制訊號
Φ3‧‧‧第三控制訊號

Claims (7)

  1. 一種切換式電容直流對直流轉換器電路，用以將一輸入電壓轉換成一輸出電壓，該切換式電容直流對直流轉換器電路包含： 一第一切換式電容電路，包含一第一輸入端、一第一輸出端、複數個第一開關、複數個第二開關以及至少一第一電容，該複數個第一開關與該複數個第二開關係分別連接該至少一第一電容，該複數個第一開關係由一第一控制訊號所控制，該複數個第二開關係由一第二控制訊號所控制； 一第二切換式電容電路，包含一第二輸入端、一第二輸出端、複數個第三開關、複數個第四開關以及至少一第二電容，該複數個第三開關與該複數個第四開關係分別連接該至少一第二電容，該複數個第三開關係由該第二控制訊號所控制，該複數個第四開關係由該第一控制訊號所控制；以及 至少一第五開關，係電性連接於該至少一第一電容以及該至少一第二電容，該至少一第五開關係由一第三控制訊號所控制； 其中該第一輸入端以及該第二輸入端係電性連接並接收該輸入電壓，該第一輸出端以及該第二輸出端係電性連接並輸出該輸出電壓，該至少一第一電容以及該至少一第二電容的電容值相同，該第一切換式電容電路之元件連接架構與該第二切換式電容電路之元件連接架構相同，該複數個第一開關係對應於該複數個第三開關，而該複數個第二開關係對應於該複數個第四開關； 其中，該第一控制訊號之開關導通期間、該第二控制訊號之開關導通期間以及該第三控制訊號之開關導通期間互不相重疊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電容直流對直流轉換器電路，其中在該第三控制訊號之該開關導通期間，該至少一第五開關導通，該第一控制訊號係控制該複數個第一開關以及該複數個第四開關截止，而該第二控制訊號係控制該複數個第二開關以及該複數個第三開關截止。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電容直流對直流轉換器電路，其中該至少一第五開關、該至少一第一電容以及該至少一第二電容的數量皆為複數個，則每一該複數個第一電容以及每一該複數個第二電容之間係電性連接該複數個第五開關之其中一個。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電容直流對直流轉換器電路，其中該至少一第五開關係電性連接於該至少一第一電容以及該至少一第二電容之相同極性端。
  5. 一種產生切換式電容直流對直流轉換器電路的方法，包含： 提供一原始切換式電容電路，其包含一輸入端、一輸出端、複數個第一開關、複數個第二開關以及至少一電容，該複數個第一開關與該複數個第二開關係分別連接該至少一電容，該複數個第一開關係由一第一控制訊號所控制，該複數個第二開關係由一第二控制訊號所控制； 根據該原始切換式電容電路，決定一第一切換式電容電路以及一第二切換式電容電路，其中該第一切換式電容電路以及該第二切換式電容電路之元件連接架構與該原始切換式電容電路相同，而該第一切換式電容電路以及該第二切換式電容電路之至少一電容之電容值為該原始切換式電容電路之該至少一電容之電容值的一半，而該第一切換式電容電路之該複數個第一開關係由該第一控制訊號所控制，該複數個第二開關係由該第二控制訊號所控制，該第二切換式電容電路之該複數個第一開關係由該第二控制訊號所控制，該複數個第二開關係由該第一控制訊號所控制； 電性連接至少一第三開關於該第一切換式電容電路之該至少一電容以及該第二切換式電容電路之該至少一電容，該至少一第三開關係由一第三控制訊號所控制，且該第一控制訊號之開關導通期間、該第二控制訊號之開關導通期間以及該第三控制訊號之開關導通期間互不相重疊； 電性連接該第一切換式電容電路以及該第二切換式電容電路之該輸入端；以及 電性連接該第一切換式電容電路以及該第二切換式電容電路之該輸出端。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之產生切換式電容直流對直流轉換器電路的方法，其中該至少一第三開關、每一該第一切換式電容電路以及該第二切換式電容電路之該至少一電容的數量皆為複數個，則該第一切換式電容電路以及該第二切換式電容電路之每一該複數個電容之間係電性連接該複數個第三開關之其中一個。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之產生切換式電容直流對直流轉換器電路的方法，其中該至少一第三開關係電性連接於該第一切換式電容電路以及該第二切換式電容電路之該至少一電容之相同極性端。
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