TWI691155B - 切換式電容直流對直流電源轉換器電路 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種切換式電容直流對直流電源轉換器電路，其包含N個輸入側切換式電容單元以及N個輸出側切換式電容單元。在相鄰兩個轉換階段之間具有一電荷回收階段。在每一轉換階段中，N個輸入側切換式電容單元中的至少一個之電容器之一底端以及N個輸出側切換式電容單元中的至少一個之電容器之一底端係選擇性電性連接轉換器電路之輸出端。在每一個電荷回收階段中，N個輸入側切換式電容單元以及N個輸出側切換式電容單元中有兩個電容器之底端透過複數個輸入側電荷回收開關以及複數個輸出側電荷回收開關中的兩個而電性連接。

Description

切換式電容直流對直流電源轉換器電路
本發明係有關於一種切換式電容直流對直流電源轉換器電路，特別是有關於一種能減少切換耗損的切換式電容直流對直流轉換器電路。
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，本發明提出一種切換式電容直流對直流電源轉換器電路，以減少電容器在切換過程的能量耗損。
根據一實施例，本發明提出一種切換式電容直流對直流電源轉換器電路，其包含輸入端、輸出端、N個輸入側切換式電容單元、N個輸出側切換式電容單元、N個輸入側電荷回收開關、N個輸出側電荷回收開關以及開關控制單元，其中N為大於1的正整數。每一輸入側切換式電容單元包含電容器、第一開關、第二開關、第三開關、第四開關以及第五開關。第四開關的一端與輸出端耦接。電容器之頂端透過第一開關選擇性耦接輸入端，且電容器之頂端耦接至第二開關及第三開關，該第四開關的另一端與該電容器耦接，並且電容器之底端透過第五開關選擇性耦接低電壓端。每一輸出側切換式電容單元包含電容器、第六開關、第七開關、第八開關、第九開關以及第十開關。第九開關的一端與輸出端耦接、第七開關耦接至第二開關及第八開關耦接至第三開關。電容器之頂端透過第六開關選擇性耦接輸出端，且電容器之頂端耦接至第七開關及第八開關，並且電容器之底端透過第十開關選擇性耦接低電壓端，該第九開關的另一端與該電容器耦接。N個輸入側電荷回收開關係分別電性連接N個輸入側切換式電容單元之電容器之底端。N個輸出側電荷回收開關係分別電性連接N個輸出側切換式電容單元之電容器之底端，且N個輸入側電荷回收開關與N個輸出側電荷回收開關彼此電性連接。開關控制單元係在2N個轉換階段以及2N個電荷回收階段中控制N個第一開關至N個第十開關的導通狀態，使得切換式電容直流對直流電源轉換器電路在該輸出端形成輸出電壓，並且第四開關與第十開關之導通狀態係彼此同步，且第五開關與第九開關之導通狀態係彼此同步。2N個電荷回收階段係分別位於2N個電荷回收階段中的兩個相鄰的轉換階段之間。在每一個轉換階段中，N個輸入側切換式電容單元中的至少一個之電容器 之一頂端以及複數個輸出側切換式電容單元中的至少一個之電容器之一頂端係透過第二開關與第七開關、或是透過第三開關以及第八開關而選擇性電性連接。在2N個轉換階段中，N個輸入側切換式電容單元中的至少一個之電容器之一底端或N個輸出側切換式電容單元中的至少一個之電容器之一底端係透過第四開關或第九開關而選擇性電性連接輸出端。在每一個電荷回收階段中，N個輸入側切換式電容單元以及N個輸出側切換式電容單元中有兩個電容器之底端透過複數個輸入側電荷回收開關以及複數個輸出側電荷回收開關中的兩個而電性連接。
較佳地，在2N個轉換階段中，每一個輸入側切換式電容單元中之電容器之底端係在N-1個轉換階段會電性連接輸出端，而在其他的N+1個轉換階段會電性連接低電壓端。
較佳地，N個輸入側切換式電容單元中的第n個輸入側切換式電容單元之電容器之該底端在2N個轉換階段中的第P1至Pi個轉換階段會電性連接輸出端，而Pi滿足下列方程式：Pi=(2N-2n-i+5)mod 2N，其中i為大於等於1且小於N的正整數，而n為大於等於1且小於等於N的正整數，且當Pi等於0時，其代表第2N個轉換階段。
較佳地，在2N個轉換階段中，每一個輸出側切換式電容單元中之電容器之底端係在N+1個轉換階段會電性連接輸出端，而在其他的N-1個轉換階段會電性連接低電壓端。
較佳地，N個輸出側切換式電容單元中的第n個輸出側切換式電容單元之電容器之底端在2N個轉換階段中的第Q1至Qj個轉換階段會電性連接低電壓端，而Qj滿足下列方程式：Qj=(2n+j-1)mod 2N， 其中j為大於等於1且小於N的正整數，而n為大於等於1且小於等於N的正整數，且當Qj等於0時，其代表第2N個轉換階段。
較佳地，2N個轉換階段與2N個電荷回收階段係交錯配置。
較佳地，當N個輸入側切換式電容單元之其中一個之電容器之底端在相鄰兩個轉換階段分別電性連接低電壓端以及輸出端，則對應輸入側切換式電容單元之輸入側電荷回收開關係在相鄰兩個轉換階段之間的電荷回收階段導通。
較佳地，當N個輸出側切換式電容單元之其中一個之電容器之底端在相鄰兩個轉換階段分別電性連接低電壓端以及輸出端，則對應輸出側切換式電容單元之輸出側電荷回收開關係在相鄰兩個該轉換階段之間的電荷回收階段導通。
C11、C12、C13:輸入側切換式電容單元
C21、C22、C23:輸出側切換式電容單元
30:開關控制單元
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
SW11_1、SW12_1、SW1n_1:第一開關
SW11_2、SW12_2、SW1n_2:第二開關
SW11_3、SW12_3、SW1n_3:第三開關
SW11_4、SW12_4、SW1n_4:第四開關
SW11_5、SW12_5、SW1n_5:第五開關
SW21_1、SW22_1、SW2n_1:第六開關
SW21_2、SW22_2、SW2n_2:第七開關
SW21_3、SW22_3、SW2n_3:第八開關
SW21_4、SW22_4、SW2n_4:第九開關
SW21_5、SW22_5、SW2n_5:第十開關
SW11_C、SW12_C、SW1n_C:輸入側電荷回收開關
SW21_C、SW22_C、SW2n_C:輸出側電荷回收開關
C11、C12、C13、C1n、C21、C22、C23、C2n:電容器
GND:接地端
第1圖係為本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路之一實施例之示意圖。
第2圖係為本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路之一實施例之轉換階段以及電荷回收階段之示意圖。
第3圖係為本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路之一實施例之轉換階段以及電荷回收階段之示意圖。
第4圖係為本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路之一實施例之多個開關控制訊號之示意圖。
第5圖係為本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路之另一實施例之示意圖。
第6圖係為本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路之另一實施例之轉換階段以及電荷回收階段之示意圖。
第7圖係為本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路之另一實施例之轉換階段以及電荷回收階段之示意圖。
第8圖係為本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路之另一實施例之轉換階段以及電荷回收階段之示意圖。
以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。
本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路，包含一輸入端、一輸出端、N個輸入側切換式電容單元、N個輸出側切換式電容單元以及一開關控制單元，而N為大於1的正整數。每一輸入側切換式電容單元或是每一輸出側切換式電容單元包含一電容器以及五個開關，其中三個開關電性連接電容器的頂端，二個開關電性連接電容器的底端。開關控制單元可在2N個轉換階段中控制N個輸入側切換式電容單元與N個輸出側切換式電容單元之複數個開關的導通狀態，使得切換式電容直流對直流電源轉換器電路在輸出端形成一輸出電壓。
此外，本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路更包含複數個輸入側電荷回收開關以及複數個輸出側電荷回收開關。複數個輸入側電荷回收開關係分別電性連接N個輸入側切換式電容單元之電容器之底端，複數個輸出側電荷回收開關係分別電性連接N個輸出側切換式電容單元之電容器之底端，且複數個輸入側電荷回收開關與該複數個輸出側電荷回收開關彼此電性連接。
開關控制單元係在2N個電荷回收階段(charge recycling phase)中，控制複數個輸入側電荷回收開關(input-side charge recycling switch)以及複數個輸出側電荷回收開關中的兩個，以電性連接N個輸入側切換式電容單元以及N個輸出側切換式電容單元中的兩個電容器之底端。
以下將搭配第1至4圖，說明包含有2個輸入側切換式電容單元以及2個輸出側切換式電容單元的切換式電容直流對直流電源轉換器電路之操作，也就是說，在N=2的情況下，切換式電容直流對直流電源轉換器電路之操作。
請參閱第1圖。在此實施例中，切換式電容直流對直流電源轉換器電路包含二輸入側切換式電容單元以及二輸出側切換式電容單元。第一輸入側切換式電容單元包含一電容器C11、一第一開關SW11_1、一第二開關SW11_2、一第三開關SW11_3、一第四開關SW11_4以及一第五開關SW11_5。電容器C11之一頂端透過第一開關SW11_1選擇性耦接輸入端VIN，而電容器C11之一底端係透過第五開關SW11_5選擇性耦接一低電壓端。在此實施例中，低電壓端為一接地端GND。
第二輸入側切換式電容單元包含一電容器C12、一第一開關SW12_1、一第二開關SW12_2、一第三開關SW12_3、一第四開關SW12_4以及一第五開關SW12_5。電容器C12之一頂端透過第一開關SW12_1選擇性耦接輸入端VIN，而電容器C12之一底端係透過第五開關SW12_5選擇性接地。
第一輸出側切換式電容單元包含一電容器C21、一第六開關SW21_1、一第七開關SW21_2、一第八開關SW21_3、一第九開關SW21_4以及一第十開關SW21_5。電容器C21之一頂端透過第六開關SW21_1選擇性耦接輸出端VOUT，而電容器C21之一底端透過第十開關SW21_5選擇性耦接低電壓端。在此實施例中，低電壓端為一接地端GND。
第二輸出側切換式電容單元包含一電容器C22、一第六開關SW22_1、一第七開關SW22_2、一第八開關SW22_3、一第九開關SW22_4以及一第十開關SW22_5。電容器C22之一頂端透過第六開關SW22_1選擇性耦接輸出端VOUT，而電容器C22之一底端透過第十開關SW22_5選擇性耦接低電壓端。在此實施例中，低電壓端為一接地端GND。
輸入側電荷回收開關SW11_C與SW12_C分別電性連接電容器C11與C12之底端。輸出側電荷回收開關SW21_C與SW22_C分別電性連接電容器C21與C22之底端。輸入側電荷回收開關SW11_C與SW12_C分別與輸出側電荷回收開關SW21_C與SW22_C彼此電性連接。
開關控制單元30係在4個轉換階段以及4個電荷回收階段中控制第一開關SW11_1與SW12_1、第二開關SW11_2與SW12_2、第三開關SW11_3與SW12_3、第四開關SW11_4與SW12_4、第五開關SW11_5與SW12_5、第六開關SW21_1與SW22_1、第七開關SW21_2與SW22_2、第八開關SW21_3與SW22_3、第九開關SW21_4與SW22_4、以及第十開關SW21_5與SW22_5的導通狀態，使得切換式電容直流對直流電源轉換器電路可在輸出端形成一輸出電壓VOUT。
請參閱第2圖以及第3圖，其繪示本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路之一實施例之轉換階段以及電荷回收階段之示意圖。在2N個轉換階段中，至少一輸入側切換式電容單元之電容器之一頂端以及至少一輸 出側切換式電容單元之電容器之一頂端係透過第二開關與第七開關、或是透過第三開關以及第八開關而選擇性電性連接。
如第2圖與第3圖所示，在N等於2的情況下，切換式電容直流對直流電源轉換器電路有4個轉換階段。在第一轉換階段，電容器C11與C22之頂端電性連接，而電容器C12與C21之頂端電性連接；在第二轉換階段，電容器C12與C22之頂端電性連接；在第三轉換階段，電容器C11與C22之頂端電性連接，而電容器C12與C21之頂端電性連接；在第四轉換階段，電容器C11與C21之頂端電性連接。
在4個轉換階段中，至少一輸入側切換式電容單元個之電容器之一底端或至少一輸出側切換式電容單元之電容器之一底端係透過第四開關及第九開關而選擇性電性連接輸出端。
如第2圖與第3圖所示，在第一轉換階段，電容器C21與C22之底端電性連接輸出端；在第二轉換階段，電容器C11與C22之底端電性連接輸出端；在第三轉換階段，電容器C21與C22之底端電性連接輸出端；在第四轉換階段，電容器C12與C21之底端電性連接輸出端。
2N個電荷回收階段係分別位於2N個電荷回收階段中的兩個相鄰的轉換階段之間。在每一電荷回收階段中，N個輸入側切換式電容單元以及N個輸出側切換式電容單元中有兩個電容器之底端透過輸入側電荷回收開關以及輸出側電荷回收開關中的兩個而電性連接。
如第2圖與第3圖所示，在N等於2的情況下，切換式電容直流對直流電源轉換器電路有4個電荷回收階段。第一電荷回收階段位於第一轉換階段以及第二轉換階段之間，且開關控制單元30導通輸入側電荷回收開關SW11_C與輸出側電荷回收開關SW21_C，使得電容器C11之底端電性連接電容器C21之底端。
表一係紀錄在N等於2的情況下，切換式電容直流對直流電源轉換器電路的電容器C11、C12、C21、C22之底端在4個轉換階段的電壓。如表一所示，在轉換階段切換時，當電容器之底端電壓有改變，例如從零電壓變成輸出電壓，或是從輸出電壓變成零電壓，此電壓改變會造成能量耗損。為了降低此種能量耗損，在前後轉換階段切換之間，增加一電荷回收階段，而底端電壓有改變的電容器需要在電荷回收階段需要將彼此底端電性連接。
Figure 107144877-A0305-02-0012-2
如表一所示，電容器C11之底端電壓在第一轉換階段為零而在第二轉換電壓為輸出電壓VOUT，電容器C21之底端電壓在第一轉換階段為輸出電壓VOUT而在第二轉換電壓為零，因此在位於第一轉換階段與第二轉換階段之間的第一電荷回收階段中，電容器C11之底端與電容器C21之底端電性連接。
同樣的操作原理，第二電荷回收階段位於第二轉換階段以及第三轉換階段之間，且開關控制單元30導通輸入側電荷回收開關SW11_C與輸出側電荷回收開關SW21_C，使得電容器C11之底端電性連接電容器C21之底端。第三電荷回收階段位於第三轉換階段以及第四轉換階段之間，且開關控制單元30導通輸入側電荷回收開關SW12_C與輸出側電荷回收開關SW22_C，使得電容器C12之底端電性連接電容器C22之底端；第四電荷回收階段位於第四轉換階段以 及第一轉換階段之間，且開關控制單元30導通輸入側電荷回收開關SW12_C與輸出側電荷回收開關SW22_C，使得電容器C12之底端電性連接電容器C22之底端。
表二顯示在N等於2的情況下，第一輸入側切換式電容單元之所有開關在每一轉換階段以及每一電荷回收階段中的導通狀態。”H”表示施加於開關的開關控制訊號為高電位準，使得開關導通；”L”表示施加於開關的開關控制訊號為低電位準，使得開關不導通。
Figure 107144877-A0305-02-0013-3
表三顯示在N等於2的情況下，第二輸入側切換式電容單元之所有開關在每一轉換階段以及每一電荷回收階段中的導通狀態。
Figure 107144877-A0305-02-0013-4
Figure 107144877-A0305-02-0014-5
表四顯示在N等於2的情況下，第一輸出側切換式電容單元之所有開關在每一轉換階段以及每一電荷回收階段中的導通狀態。
Figure 107144877-A0305-02-0014-6
表五顯示在N等於2的情況下，第一輸出側切換式電容單元之所有開關在每一轉換階段以及每一電荷回收階段中的導通狀態。
表五
Figure 107144877-A0305-02-0015-7
請參閱第4圖，其係為本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路之一實施例之多個開關控制訊號之示意圖。為了便於理解，第4圖中以開關的標號表示施加於開關的開關控制訊號，例如，第4圖中，施加於開關SW11_4的開關控制訊號以SW11_4表示。如第4圖所示，在第一轉換階段，施加於開關SW11_4的開關控制訊為低電壓位準(L)而施加於開關SW11_5的開關控制訊為高電壓位準(H)，施加於開關SW21_4的開關控制訊為高電壓位準而施加於開關SW21_5的開關控制訊為低’電壓位準；而在第二轉換階段，施加於開關SW11_4的開關控制訊為高電壓位準而施加於開關SW11_5的開關控制訊為低電壓位準，而施加於開關SW21_4的開關控制訊為低電壓位準而施加於開關SW21_5的開關控制訊為高電壓位準。因此，在第一轉換階段與第二轉換階段之間的第一電荷回收階段中，施加於輸入側電荷回收開關SW11_C以及輸出側電荷回收開關SW21_C的開關控制訊號為高電壓位準，使得開關SW11_C與開關SW21_C導通，而電性連接電容器C11之底端以及電容器C21之底端。
在一實施例中，開關控制單元30可將下一轉換階段為高電壓位準的開關控制訊號延遲一預設延遲時間，而在此預設延遲時間中，開關控制單元30將施加於輸入側電荷回收開關SW11_C以及輸出側電荷回收開關SW21_C的開關控制訊號提高為高電壓位準。藉由上述機制，本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路不須改變系統時脈之週期(cycle)便可增加2N個電荷回收階段，以降低能量耗損。
請參閱第5圖，其為本發明之切換式電容直流對直流電源轉換器電路之另一實施例之示意圖。第1至4圖係繪示切換式電容直流對直流電源轉換器電路有二個輸入側切換式電容單元以及二個輸出側切換式電容單元，且其操作具有2N個轉換階段以及2N個電荷回收階段。第5圖係繪示切換式電容直流對直流電源轉換器電路有N個輸入側切換式電容單元以及N個輸出側切換式電容單元的電路示意圖，其元件之間的連接方式與第2圖以及上述描述相同，故在此不再贅述。
表六顯示在N等於3的情況下，在第一轉換階段至第六轉換階段中，電容器C11~C13以及C21~C23之底端電壓。電容器之底端電壓可為輸出電壓VOUT或是0。
Figure 107144877-A0305-02-0016-8
Figure 107144877-A0305-02-0017-10
表七顯示在N等於4的情況下，在第一轉換階段至第八轉換階段中，電容器C11~C14以及C21~C24之底端電壓。電容器之底端電壓可為輸出電壓VOUT或是0。
Figure 107144877-A0305-02-0017-11
表八顯示在N等於5的情況下，在第一轉換階段至第十轉換階段中，電容器C11~C15以及C21~C25之底端電壓。電容器之底端電壓可為輸出電壓VOUT或是0。
Figure 107144877-A0305-02-0017-12
Figure 107144877-A0305-02-0018-13
如表一、表六至表八所示，在2N個轉換階段中，N個輸入側切換式電容單元中每一個之電容器之底端係在N-1個轉換階段會電性連接輸出端，例如其底端電壓為VOUT，而在其他的N+1個轉換階段會電性連接低電壓端，例如其底端電壓為0；N個輸出側切換式電容單元中每一個之電容器之底端係在N+1個轉換階段會電性連接輸出端，而在其他的N-1個轉換階段會電性連接低電壓端，例如其底端電壓為0。
N個輸入側切換式電容單元中的第n個輸入側切換式電容單元之電容器之底端在2N個轉換階段中的第P1至Pi個轉換階段會電性連接輸出端，而Pi滿足方程式(一)：Pi=(2N-2n-i+5)mod 2N.......方程式(一)
其中i為大於等於1且小於N的正整數，而n為大於等於1且小於等於N的正整數，mod為模除計算，或稱取模運算。當Pi等於0時，其代表第2N個轉換階段。
N個輸出側切換式電容單元中的第n個輸出側切換式電容單元之該電容器之該底端在該2N個轉換階段中的第Q1至Qj個轉換階段會電性連接低電壓端，而Qj滿足方程式(二)：Qj=(2n+j-1)mod 2N.......方程式(二)
其中j為大於等於1且小於N的正整數，而n為大於等於1且小於等於N的正整數。當Qj等於0時，其代表第2N個轉換階段。
例如，在N等於3之情況下，i可為1與2，表示輸入側切換式電容單元之電容器之底端在兩個轉換階段會電性連接輸出端。第1個輸入側切換式電容單元(即n=1)之電容器C11之底端在第P1至P2個轉換階段會電性連接輸出端，其中P1與P2的計算如下：
P1=(2*3-2*1-1+5)mod 6=2
P2=(2*3-2*1-2+5)mod 6=1
因此，電容器C11之底端在第1個轉換階段以及第2個轉換階段會電性連接輸出端。同理，根據方程式(一)可計算出第2個輸入側切換式電容單元(即n=2)之電容器C12之底端在第6個轉換階段以及第5個轉換階段會電性連接輸 出端；第3個輸入側切換式電容單元(即n=3)之電容器C13之底端在第4個轉換階段以及第4個轉換階段會電性連接輸出端，如表六所示。
在N等於3之情況下，j可為1與2，表示輸出側切換式電容單元之電容器之底端在兩個轉換階段會電性連接低電壓端，在此實施例中，低電壓端為接地端。第1個輸出側切換式電容單元(即n=1)之電容器C21之底端在第Q1至Q2個轉換階段會接地，其中Q1與Q2的計算如下：
Q1=(2*1+1-1)mod 6=2
Q2=(2*1+2-1)mod 6=3
因此，電容器C21之底端在第2個轉換階段以及第3個轉換階段會接地。同理，根據方程式(二)可計算出第2個輸出側切換式電容單元(即n=2)之電容器C22之底端在第4個轉換階段以及第5個轉換階段會接地；第3個輸出側切換式電容單元(即n=3)之電容器C23之底端在第6個轉換階段以及第1個轉換階段會接地，如表六所示。
當輸入側切換式電容單元或輸出側切換式電容單元之電容器之底端在相鄰兩個轉換階段分別電性連接低電壓端以及輸出端時，則其對應輸出側電荷回收開關係在相鄰兩個轉換階段之間的電荷回收階段導通。如表六所示，電容器C11之底端在第2轉換階段以及第3轉換階段分別電性連接輸出端以及接地端，所以開關SW11_C在第2電荷回收階段導通；同時，電容器C13之底端在第2轉換階段以及第3轉換階段分別電性連接接地端以及輸出端，所以開關SW13_C也在第2電荷回收階段導通，因此，在第2電荷回收階段，電容器C11與C13之底端彼此電性連接。
同樣地，電容器C11之底端在第6轉換階段以及第1轉換階段分別電性連接接地端以及輸出端，所以開關SW11_C在第6電荷回收階段導通；同時， 電容器C12之底端在第6轉換階段以及第1轉換階段分別電性連接輸出端以及接地端，所以開關SW12_C也在第6電荷回收階段導通，因此，在第6電荷回收階段，電容器C11與C12之底端彼此電性連接。
根據上述的運算原理，可以推導出電容器C11~C13以及電容器C21~C23之底端在第1至6電荷回收階段的連接關係，如第6至8圖所示。
根據上述方程式(一)與方程式(二)，可以推導出在N等於4以及N等於5之情況下，所有電容器之底端與輸出端以及低電壓端的連接關係，並在進一步推導出在所有電荷回收階段中，電容器底端的連接關係。
例如，在N等於4之情況下，i可為1、2、3，表示輸入側切換式電容單元之電容器之底端在3個轉換階段會電性連接輸出端。第1個輸入側切換式電容單元(即n=1)之電容器C11之底端在第P1至P2個轉換階段會電性連接輸出端，其中P1與P2的計算如下：
P1=(2*4-2*1-1+5)mod 8=2
P2=(2*4-2*1-2+5)mod 8=1
P3=(2*4-2*1-3+5)mod 8=0
因此，電容器C11之底端在第2個轉換階段、第1個轉換階段以及第8個轉換階段會電性連接輸出端。同理，根據方程式(一)可計算出第2個輸入側切換式電容單元(即n=2)之電容器C22之底端在第8個轉換階段、第7個轉換階段以及第6個轉換階段會電性連接輸出端；第3個輸入側切換式電容單元(即n=3)之電容器C13之底端在第6個轉換階段、第5個轉換階段以及第4個轉換階段會電性連接輸出端；第4個輸入側切換式電容單元(即n=4)之電容器C14之底端在第4個轉換階段、第3個轉換階段以及第2個轉換階段會電性連接輸出端，如表七所示。
在N等於4之情況下，j可為1、2與3，表示輸出側切換式電容單元之電容器之底端在3個轉換階段會電性連接低電壓端，在此實施例中，低電壓端為接地端。第1個輸出側切換式電容單元(即n=1)之電容器C21之底端在第Q1至Q3個轉換階段會接地，其中Q1與Q2的計算如下：
Q1=(2*1+1-1)mod 8=2
Q2=(2*1+2-1)mod 8=3
Q3=(2*1+3-1)mod 8=4
因此，電容器C21之底端在第2個轉換階段、第3個轉換階段以及第4個轉換階段會接地。同理，根據方程式(二)可計算出第2個輸出側切換式電容單元(即n=2)之電容器C22之底端在第4個轉換階段、第5個轉換階段以及第6個轉換階段會接地；第3個輸出側切換式電容單元(即n=3)之電容器C23之底端在第6個轉換階段、第7個轉換階段以及第8個轉換階段會接地；第4個輸出側切換式電容單元(即n=4)之電容器C24之底端在第8個轉換階段、第1個轉換階段以及第2個轉換階段會接地，如表七所示。
如表七所示，電容器C11之底端在第2轉換階段以及第3轉換階段分別電性連接輸出端以及接地端，所以開關SW11_C在第2電荷回收階段導通；同時，電容器C24之底端在第2轉換階段以及第3轉換階段分別電性連接接地端以及輸出端，所以開關SW24_C也在第2電荷回收階段導通，因此，在第2電荷回收階段，電容器C11與C24之底端彼此電性連接。
同樣地，電容器C11之底端在第7轉換階段以及第8轉換階段分別電性連接接地端以及輸出端，所以開關SW11_C在第7電荷回收階段導通；同時，電容器C24之底端在第7轉換階段以及第8轉換階段分別電性連接輸出端以及接 地端，所以開關SW24_C也在第7電荷回收階段導通，因此，在第7電荷回收階段，電容器C11與C24之底端彼此電性連接。
因此，根據表七以及上述判斷原理，在N等於4的情況下，在第1電荷回收階段，電容器C14與C21之底端彼此電性連接；在第2電荷回收階段，電容器C11與C24之底端彼此電性連接；在第3電荷回收階段，電容器C13與C22之底端彼此電性連接；在第4電荷回收階段，電容器C14與C21之底端彼此電性連接；在第5電荷回收階段，電容器C12與C23之底端彼此電性連接；在第6電荷回收階段，電容器C13與C22之底端彼此電性連接；在第7電荷回收階段，電容器C11與C24之底端彼此電性連接；在第8電荷回收階段，電容器C12與C23之底端彼此電性連接。
再者，根據表八以及上述判斷原理，在N等於5的情況下，在第1電荷回收階段，電容器C21與C24之底端彼此電性連接；在第2電荷回收階段，電容器C11與C14之底端彼此電性連接；在第3電荷回收階段，電容器C22與C25之底端彼此電性連接；在第4電荷回收階段，電容器C13與C15之底端彼此電性連接；在第5電荷回收階段，電容器C21與C23之底端彼此電性連接；在第6電荷回收階段，電容器C12與C14之底端彼此電性連接；在第7電荷回收階段，電容器C22與C24之底端彼此電性連接；在第8電荷回收階段，電容器C11與C13之底端彼此電性連接；在第9電荷回收階段，電容器C23與C25之底端彼此電性連接；在第10電荷回收階段，電容器C12與C15之底端彼此電性連接。
應注意的是，上述多個轉換階段中每一個開關的導通狀態的順序僅為舉例，而非為限制。只要輸入側的開關之導通狀態與輸出側的開關之導通狀態之間的對應關係等效於上述多個表所示的資料，即屬於本發明之申請專利 範圍內。例如，表八中，如果第一轉換階段改成第二轉換階段，第二轉換階段改成第三轉換階段，依此類推，第十轉換階段改成第一轉換階段，如表九所式，能可以達到與本發明相同的效果。
Figure 107144877-A0305-02-0024-15
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更 動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
30:開關控制單元
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
SW11_1、SW12_1:第一開關
SW11_2、SW12_2:第二開關
SW11_3、SW12_3:第三開關
SW11_4、SW12_4:第四開關
SW11_5、SW12_5:第五開關
SW21_1、SW22_1:第六開關
SW21_2、SW22_2:第七開關
SW21_3、SW22_3:第八開關
SW21_4、SW22_4:第九開關
SW21_5、SW22_5:第十開關
SW11_C、SW12_C:輸入側電荷回收開關
SW21_C、SW22_C:輸出側電荷回收開關
C11、C12、C21、C22:電容器

Claims (8)

  1. 一種切換式電容直流對直流電源轉換器電路，包含：一輸入端；一輸出端；N個輸入側切換式電容單元，每一該輸入側切換式電容單元包含：一第一開關至一第五開關，且該第四開關的一端與該輸出端耦接；以及一電容器，該電容器之一頂端透過該第一開關選擇性耦接該輸入端，且該電容器之該頂端耦接至該第二開關及該第三開關，該第四開關的另一端與該電容器耦接；並且該電容器之一底端透過該第五開關選擇性耦接一低電壓端，其中N為大於1的正整數；N個輸出側切換式電容單元，每一該輸出側切換式電容單元包含：一第六開關至一第十開關，且該第九開關的一端與該輸出端耦接、該第七開關耦接至該第二開關及該第八開關耦接至該第三開關；以及一電容器之一頂端透過該第六開關選擇性耦接該輸出端，且透過該第六開關選擇性耦接該輸出端的該電容器之該頂端耦接至該第七開關及該第八開關，該第九開關的另一端與該電容器耦接；並且該電容器之一底端透過該第十開關選擇性耦接該低電壓端；N個輸入側電荷回收開關，係分別電性連接該N個輸入側切換式電容單元之該電容器之該底端； N個輸出側電荷回收開關，係分別電性連接該N個輸出側切換式電容單元之該電容器之該底端，其中該N個輸入側電荷回收開關與該N個輸出側電荷回收開關彼此電性連接；以及一開關控制單元，係在2N個轉換階段以及2N個電荷回收階段中控制N個該第一開關至N個該第十開關的導通狀態，使得該切換式電容直流對直流電源轉換器電路在該輸出端形成一輸出電壓；並且該第四開關與該第十開關之導通狀態係彼此同步，且該第五開關與該第九開關之導通狀態係彼此同步，其中2N個電荷回收階段係分別位於該2N個電荷回收階段中的兩個相鄰的轉換階段之間；其中，在該2N個轉換階段中，該N個輸入側切換式電容單元中的至少一個之該電容器之一頂端以及該複數個輸出側切換式電容單元中的至少一個之該電容器之一頂端係透過該第二開關與該第七開關、或是透過該第三開關以及該第八開關而選擇性電性連接；其中，在該2N個轉換階段中，該N個輸入側切換式電容單元中的至少一個之該電容器之一底端或該N個輸出側切換式電容單元中的至少一個之該電容器之一底端係透過該第四開關或該第九開關而選擇性電性連接該輸出端；其中，在該2N個電荷回收階段的每一個中，該N個輸入側切換式電容單元以及該N個輸出側切換式電容單元中有兩個該電容器之該底端透過該複數個輸入側電荷回收開關以及該複數個輸出側電荷回收開關中的兩個而電性連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電容直流對直流電源 轉換器電路，其中在該2N個轉換階段中，該N個輸入側切換式電容單元中每一個之該電容器之該底端係在N-1個轉換階段會電性連接該輸出端，而在其他的N+1個轉換階段會電性連接該低電壓端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之切換式電容直流對直流電源轉換器電路，其中該N個輸入側切換式電容單元中的第n個輸入側切換式電容單元之該電容器之該底端在該2N個轉換階段中的第P1至Pi個轉換階段會電性連接該輸出端，而Pi滿足下列方程式：Pi=(2N-2n-i+5)mod 2N，其中i為大於等於1且小於N的正整數，而n為大於等於1且小於等於N的正整數，且當Pi等於0時，其代表第2N個轉換階段。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電容直流對直流電源轉換器電路，其中在該2N個轉換階段中，該N個輸出側切換式電容單元中每一個之該電容器之該底端係在N+1個轉換階段會電性連接該輸出端，而在其他的N-1個轉換階段會電性連接該低電壓端。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之切換式電容直流對直流電源轉換器電路，其中該N個輸出側切換式電容單元中的第n個輸出側切換式電容單元之該電容器之該底端在該2N個轉換階段中的第Q1至Qj個轉換階段會電性連接該低電壓端，而Qj滿足下列方程式：Qj=(2n+j-1)mod 2N， 其中j為大於等於1且小於N的正整數，而n為大於等於1且小於等於N的正整數，且當Qj等於0時，其代表第2N個轉換階段。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電容直流對直流電源轉換器電路，其中該2N個轉換階段與該2N個電荷回收階段係交錯配置。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電容直流對直流電源轉換器電路，其中當該N個輸入側切換式電容單元之其中一個之該電容器之該底端在相鄰兩個該轉換階段分別電性連接該低電壓端以及該輸出端，則對應該輸入側切換式電容單元之該輸入側電荷回收開關係在相鄰兩個該轉換階段之間的該電荷回收階段導通。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電容直流對直流電源轉換器電路，其中當該N個輸出側切換式電容單元之其中一個之該電容器之該底端在相鄰兩個該轉換階段分別電性連接該低電壓端以及該輸出端，則對應該輸出側切換式電容單元之該輸出側電荷回收開關係在相鄰兩個該轉換階段之間的該電荷回收階段導通。
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