TWI736458B - 切換電容式電源轉換電路及其轉換控制電路與控制方法 - Google Patents

切換電容式電源轉換電路及其轉換控制電路與控制方法 Download PDF

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Abstract

一種切換電容式電源轉換電路，包括轉換電容器；複數轉換電晶體；以及輸出電容器，耦接於輸出節點。於一切換轉換模式中，切換電容式電源轉換電路以切換電容之方式轉換輸入電源而於輸出節點產生輸出電源。於第一預充電時段內，控制第一轉換電晶體以提供第一預充電電流而對轉換電容器預充電至預設電壓位準，且於第一預充電時段內避免對輸出電容器充電；於第二預充電時段內，控制第二轉換電晶體以通過輸出節點提供第二預充電電流而對輸出電容器預充電至預設電壓位準，且第二預充電電流同時用以供應負載電流予負載電路。

Description

切換電容式電源轉換電路及其轉換控制電路與控制方法
本發明係有關一種切換電容式電源轉換電路，特別是指一種可預充電以降低突波電流的切換電容式電源轉換電路。本發明也有關於用以控制切換電容式電源轉換電路的轉換控制電路以及控制方法。
與本案相關的前案有: “RT9758 規格書，立錡科技股份有限公司”， “bq25970 規格書，TI”，“NCP1764規格書，ON Semiconductor”，以及“PCA9488規格書，NXP”。
圖1A與圖1B顯示一種先前技術之切換電容式電源轉換電路(101A~101B)，切換電容式電源轉換電路101A~101B藉由轉換電晶體Q1~Q4切換轉換電容器CF的電連接配置，用以轉換輸入電源而產生輸出電源。
圖1A～圖1B中的先前技術之切換電容式電源轉換電路，其缺點在於，當轉換電容器CF與輸出電容器Cout的跨壓與穩態時的電壓相差較大時，直接進行切換電容式電源轉換方式會造成很大的突波電流，可能會造成轉換電晶體燒毀。
相較於圖1A~圖1B之先前技術，本發明的切換電容式電源轉換電路可在切換轉換模式之前，先將轉換電容器CF與輸出電容器Cout分別預充電，可避免前述的突波電流，且可以較小的預充電電流支持負載電路於重載下啟動。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種切換電容式電源轉換電路，包含：一轉換電容器；複數轉換電晶體，耦接於該轉換電容器，用以轉換一輸入電源而於一輸出節點產生一輸出電源；以及一輸出電容器，耦接於該輸出節點；其中於一切換轉換模式中，該複數轉換電晶體分時輪流切換該轉換電容器的電連接關係，使該轉換電容器週期性地分時輪流電連接於該輸入電源與至少一分壓節點中的一分壓節點之間、或者該至少一分壓節點中的一分壓節點與接地電位之間，或者在具有複數分壓節點時，電連接於該至少一分壓節點之中的一對之間，進而轉換該輸入電源而產生該輸出電源，其中該輸出節點對應於該至少一分壓節點中的一節點，其中於穩態時，該輸入電源的電壓為該輸出電源的電壓的k倍，且該輸入電源的電流為該輸出電源的電流的1/k倍，其中k為大於1的自然數；其中於一預充電模式中，該切換電容式電源轉換電路進行以下之預充電操作：於第一預充電時段內，控制該複數轉換電晶體的一第一轉換電晶體以提供第一預充電電流而對該轉換電容器預充電至一預設電壓位準，且於該第一預充電時段內避免對該輸出電容器充電；以及於第二預充電時段內，控制該複數轉換電晶體的一第二轉換電晶體以通過該輸出節點提供第二預充電電流而對該輸出電容器預充電至該預設電壓位準，且該第二預充電電流同時用以供應一負載電流予一負載電路；其中該第一預充電電流不大於一第一預設電流位準，該第二預充電電流不大於一第二預設電流位準，且該負載電流不小於一第三預設電流位準。
在一較佳實施例中，於該預充電模式後才操作該切換轉換模式。
在一較佳實施例中，該第一預充電時段早於該第二預充電時段。
在一較佳實施例中，該切換電容式電源轉換電路更於一平衡時段內，控制該第一轉換電晶體與該第二轉換電晶體以平衡該轉換電容器與該輸出電容器的電壓至該預設之電壓位準。
在一較佳實施例中，該第一轉換電晶體與該第二轉換電晶體為串聯，其中該轉換電容器、該第一轉換電晶體與該第二轉換電晶體之一端耦接於一切換節點，該輸出電容器耦接於該第二轉換電晶體之另一端，其中於該第二預充電時段，該第一轉換電晶體提供至少該第二預充電電流至該切換節點。
在一較佳實施例中，該第一預設電流位準與該第二預設電流位準相等，且該負載電流小於該第二預充電電流。
在一較佳實施例中，於該預充電模式中，該第一轉換電晶體配置為一電流源或一電流箝位電路，用以提供該第一預充電電流。
在一較佳實施例中，於該第二預充電時段內，該第二轉換電晶體配置為一電流源或一電流箝位電路，用以提供該第二預充電電流。
在一較佳實施例中，於該第一預充電時段後，根據該轉換電容器之低電壓端的電壓是否超過一電壓閾值而判斷該轉換電容器是否發生短路或漏電。
在一較佳實施例中，於該第二預充電時段後，根據該輸出電壓是否未超過一電壓閾值，藉此判斷該輸出電容器是否發生短路或漏電，或判斷是否未能完成預充電。
在一較佳實施例中，該切換電容式電源轉換電路配置為：該複數轉換電晶體的該第一轉換電晶體、該第二轉換電晶體、一第三轉換電晶體以及一第四轉換電晶體依序串聯於該輸入電源與該接地電位之間，其中該第一轉換電晶體與該第二轉換電晶體耦接於該轉換電容器的一端，該第三轉換電晶體以及該第四轉換電晶體耦接於該轉換電容器的另一端，該第二轉換電晶體、該第三轉換電晶體與該輸出電容器耦接於該輸出節點；其中於該切換轉換模式中，該第一轉換電晶體、該第二轉換電晶體、該第三轉換電晶體以及該第四轉換電晶體分時切換，使得該轉換電容器分時輪流電連接於該輸入電源與該輸出節點之間，以及電連接於該輸出節點與該接地電位之間，進而使得該輸入電源的電壓為該輸出電源的電壓的2倍，且該輸入電源的電流為該輸出電源的電流的1/2倍。
在一較佳實施例中，於該切換轉換模式中：該輸入電源的電壓為定電壓，且該輸出電源的電壓亦為定電壓；或者該輸入電源的電流為定電流，且該輸出電源的電流亦為定電流。
就另一個觀點言，本發明也提供了一種轉換控制電路，用以控制一轉換電容器與一輸出電容器之操作，而轉換一輸入電源而於一輸出節點產生一輸出電源，該輸出電容器耦接於該輸出節點；該轉換控制電路包含：複數轉換電晶體，耦接於該轉換電容器；一預充電控制電路，用以於一預充電模式中控制該複數轉換電晶體；以及一切換控制電路，用以於一切換轉換模式中控制該複數轉換電晶體；其中於該切換轉換模式中，該切換控制電路控制該複數轉換電晶體分時輪流切換該轉換電容器的電連接關係，使該轉換電容器週期性地分時輪流電連接於該輸入電源與至少一分壓節點中的一分壓節點之間、或者該至少一分壓節點中的一分壓節點與接地電位之間，或者在具有複數分壓節點時，電連接於該至少一分壓節點之中的一對之間，進而轉換該輸入電源而產生該輸出電源，其中該輸出節點對應於該至少一分壓節點中的一節點，其中於穩態時，該輸入電源的電壓為該輸出電源的電壓的k倍，且該輸入電源的電流為該輸出電源的電流的1/k倍，其中k為大於1的自然數；其中於該預充電模式中，該預充電控制電路控制該複數轉換電晶體進行以下之預充電操作：於第一預充電時段內，控制該複數轉換電晶體的一第一轉換電晶體以提供第一預充電電流而對該轉換電容器預充電至一預設電壓位準，且於該第一預充電時段內避免對該輸出電容器充電；以及於第二預充電時段內，控制該複數轉換電晶體的一第二轉換電晶體以通過該輸出節點提供第二預充電電流而對該輸出電容器預充電至該預設電壓位準，且該第二預充電電流同時用以供應一負載電流予一負載電路；其中該第一預充電電流不大於一第一預設電流位準，該第二預充電電流不大於一第二預設電流位準，且該負載電流不小於一第三預設電流位準。
就再一個觀點言，本發明也提供了一種控制方法，用以控制複數轉換電晶體、一轉換電容器以及一輸出電容器之操作，而轉換一輸入電源而於一輸出節點產生一輸出電源，該輸出電容器耦接於該輸出節點；該控制方法包含：於一切換轉換模式中，該切換控制電路控制該複數轉換電晶體分時輪流切換該轉換電容器的電連接關係，使該轉換電容器週期性地分時輪流電連接於該輸入電源與至少一分壓節點中的一分壓節點之間、或者該至少一分壓節點中的一分壓節點與接地電位之間，或者在具有複數分壓節點時，電連接於該至少一分壓節點之中的一對之間，進而轉換該輸入電源而產生該輸出電源，其中該輸出節點對應於該至少一分壓節點中的一節點，其中於穩態時，該輸入電源的電壓為該輸出電源的電壓的k倍，且該輸入電源的電流為該輸出電源的電流的1/k倍，其中k為大於1的自然數；以及於一預充電模式中，控制該複數轉換電晶體進行一預充電操作，其中該預充電操作包括以下步驟：於第一預充電時段內，控制該複數轉換電晶體的一第一轉換電晶體以提供第一預充電電流而對該轉換電容器預充電至一預設電壓位準，且於該第一預充電時段內避免對該輸出電容器充電；以及於第二預充電時段內，控制該複數轉換電晶體的一第二轉換電晶體以通過該輸出節點提供第二預充電電流而對該輸出電容器預充電至該預設電壓位準，且該第二預充電電流同時用以供應一負載電流予一負載電路；其中該第一預充電電流不大於一第一預設電流位準，該第二預充電電流不大於一第二預設電流位準，且該負載電流不小於一第三預設電流位準。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路間之耦接關係，以及各訊號波形之間之關係，至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。
圖2顯示本發明之切換電容式電源轉換電路之一實施例方塊圖 (切換電容式電源轉換電路102)。在一實施例中，如圖2所示，切換電容式電源轉換電路102包含轉換電容器CF，複數轉換電晶體(如圖2所示之轉換電晶體Q1~Q4)，以及輸出電容器Cout。如圖2所示，本實施例中，轉換電晶體Q1~Q4依序串聯於輸入電源與接地電位之間，其中轉換電晶體Q1與轉換電晶體Q2耦接於轉換電容器CF的一端(如圖2所示之切換節點CP)，轉換電晶體Q3以及轉換電晶體Q4耦接於轉換電容器CF的另一端(如圖2所示之切換節點CN)，轉換電晶體Q2、轉換電晶體Q3、轉換電晶體CF與輸出電容器Cout耦接於輸出節點Nout。轉換控制訊號Q1C~Q4C分別用以控制轉換電晶體Q1~Q4。
在一實施例中，如圖2所示，切換電容式電源轉換電路102具有兩種操作模式：預充電模式以及切換轉換模式，切換電容式電源轉換電路102中的轉換電晶體(如圖2所示之Q1~Q4)可於預充電模式以及切換轉換模式中，分別受到預充電控制電路21與切換控制電路22的控制，以達成預充電操作以及切換式電源轉換之操作。其中模式切換訊號SEL用以控制選擇開關S1與S2以決定轉換電晶體如何進行操作。
請繼續參閱圖2，根據本發明，於切換轉換模式中，藉由複數轉換電晶體(如轉換電晶體Q1~Q4)切換轉換電容器CF的電連接配置，以轉換輸入電源而產生輸出電源。詳言之，本實施例中，於切換轉換模式中，轉換電晶體Q1、轉換電晶體Q2、轉換電晶體Q3以及轉換電晶體Q4分時切換，使得轉換電容器CF分時輪流電連接於輸入電源與輸出節點Nout之間，以及電連接於輸出節點Nout與接地電位之間，以轉換輸入電源而產生輸出電源。其中輸入電源具有輸入電壓Vin與輸入電流Iin，而輸出電源具有輸出電壓Vout與輸出電流Iout。具體而言，本實施例中，藉由上述的切換式電源轉換之操作，輸入電壓Vin為輸出電壓Vout的2倍，且輸入電源的電流為輸出電源的電流的1/2倍。
請同時參閱圖2、圖3與圖4，圖3顯示本發明之切換電容式電源轉換電路之一具體實施例示意圖 (切換電容式電源轉換電路103)，圖4顯示對應於本發明之切換電容式電源轉換電路之一實施例的操作波形圖。在一實施例中，如圖3所示，於預充電模式中，切換電容式電源轉換電路103的轉換電晶體Q1可配置為電流鏡電路，用以於第一預充電時段內(如圖4之T1)，提供第一預充電電流而對轉換電容器CF預充電至預設電壓位準，且於第一預充電時段T1內避免對輸出電容器Cout充電。具體而言，本實施例中，所述的第一預充電電流對應於圖4於第一預充電時段T1內的電流Icf，所述的預設電壓位準例如對應於圖4中，CP於第一預充電時段T1內預充電至Vin/2。
在一實施例中，於第一預充電時段T1內，轉換電晶體Q2控制為不導通，如圖4所示，Q2C控制於低位準使其不導通，以避免對輸出電容器Cout充電。
接著，於第二預充電時段內(如圖4之T2)，控制轉換電晶體Q2以通過輸出節點Nout提供第二預充電電流而對輸出電容器Cout預充電至前述的預設電壓位準Vin/2，且第二預充電電流同時用以供應負載電流Ild予負載電路30。詳言之，本實施例中，所述的第二預充電電流對應於圖4於第二預充電時段T2內的Iout，其中，第二預充電電流同時提供了對輸出電容器Cout充電的電流Icout，也同時供應負載電流Ild予負載電路30。此外，如圖4所示，輸出電容器Cout的正端(對應於切換節點CP)於第二預充電時段T2內預充電至Vin/2。
具體而言，如圖3所示，本實施例中，於預充電模式中，電流控制電晶體Q1m根據參考電流源Iref1而產生轉換控制訊號Q1C(如圖4中於T1間的電壓位準L11)以控制轉換電晶體Q1，以產生前述的第一預充電電流(如圖4中於T1間的電流Iin或Icf)。此外，轉換控制訊號Q2C亦可於預充電模式中，以電流鏡電路方式控制轉換電晶體Q2，以產生前述的第二預充電電流(如圖4中於T2間的電流Iout)。具體而言，如圖3所示，本實施例中，於第二預充電時段T2內，轉換控制訊號Q2C(如圖4中於T2間的電壓位準L21)來自另一電流源鏡像電路以控制轉換電晶體Q2，以產生前述的第一預充電電流(如圖4中於T2間的電流Iout)。需說明的是，圖3的實施例中為簡明解釋，前述的選擇開關省略以示意為由預充電控制電路21控制轉換電晶體。
在一實施例中，對轉換電容器CF預充電時，亦可同時對轉換電容器CF的電流流出端進行電流限制，具體而言，如圖3所示，在一實施例中，於預充電模式中，電流控制電晶體Q4m根據參考電流源而產生轉換控制訊號Q4C以控制轉換電晶體Q4，以產生例如與第一預充電電流相同位準的電流。
根據本發明上述分為兩個預充電時段的操作，在第一預充電時段T1內，由於僅對轉換電容器CF預充電至預設電壓位準，而避免對輸出電容器Cout充電，同時，在第一預充電時段T1內，由於輸出電壓Vout仍處於低電位，因此負載電路30並不汲取電流，換言之，在第一預充電時段T1內，轉換電晶體Q1所提供的第一預充電電流完全皆用以對轉換電容器CF預充電，而在第二預充電時段T2內才同時對輸出電容器Cout預充電，同時供應負載電流Ild予負載電路30。
具體而言，在一實施例中，上述的第一預充電電流不大於第一預設電流位準，在一實施例中，上述的第一預設電流位準相關於轉換電晶體Q1在預充電模式下的電流上限，以避免轉換電晶體Q1溫度過高或燒毀。
在一實施例中，第二預充電電流不大於第二預設電流位準，在一實施例中，上述的第二預設電流位準相關於轉換電晶體Q2在預充電模式下的電流上限，以避免轉換電晶體Q2溫度過高或燒毀。
在一實施例中，負載電流Ild不小於第三預設電流位準，上述的第三預設電流位準相關於負載電路30於重載開機時的電流需求。
在一實施例中，第一預充電時段T1與第二預充電時段T2之和，小於預充電時限，換言之，需在前述的預充電時限之內完成預充電。
值得注意的是，由於本發明前述的技術特徵，在第一預充電時段T1內僅對轉換電容器CF輸出電容器Cout預充電，且避免對輸出電容器Cout預充電，因而在第一預充電時段T1內也不會供應負載電流Ild予負載電路30，因此，本發明相較於在預充電時同時對轉換電容器CF與輸出電容器Cout預充電，以及同時供應負載電流Ild予負載電路30的其他先前技術而言，可以在有限的預充電電流限制下，於預充電時限內完成預充電，同時也可滿足負載電路30重載開機的需求。
在一實施例中，第一預設電流位準(如圖4的Lcf)與第二預設電流位準(如圖4的Lout)相等。在一實施例中，負載電流Ild小於第二預充電電流，如此第二預充電電流方得以於供應負載電流Ild之外，還可於前述的預充電時限內對輸出電容器Cout預充電至預設電壓位準。
此外，第一預充電電流與第二預充電電流各自亦需大於對應的電流下限位準，以滿足前述的預充電時限的限制。
請繼續參閱圖4，本實施中，在完成預充電後，切換電容式電源轉換電路(如103)才設定至切換轉換模式，藉由切換轉換電晶體(如Q1~Q4)，以切換轉換模式轉換輸入電源而產生輸出電源，以圖4為例，轉換控制訊號Q1C與Q2C在切換轉換模式切換於低電位與高電位(Lsw)之間，以控制切換轉換電晶體Q1與Q2進行切換電容式電源轉換。
在一實施例中，如圖4所示，切換電容式電源轉換電路(如103)更於平衡時段Tbal內，控制轉換電晶體Q1與轉換電晶體Q2以平衡轉換電容器CF與輸出電容器Cout的電壓至預設之電壓位準(如Vin/2)， 在一實施例中，例如於平衡時段Tbal內控制第二轉換電晶體Q2使其電流具有前述的第二預設電流位準，用以平衡轉換電容器CF與輸出電容器Cout的電壓。具體以圖4舉例而言，於平衡時段Tbal內，轉換控制訊號Q2C的電壓位準控制為L22，在一實施例中，L22等於L21。
請繼續參閱圖2與圖4，本實施例中，轉換電晶體Q1與轉換電晶體Q2為串聯，於第二預充電時段T2，轉換電晶體Q1也需同時至少提供第二預充電電流至切換節點(CP)，如此轉換電晶體Q2才能於輸出節點Nout提供第二預充電電流。具體以圖4舉例而言，於第二預充電時段T2內，轉換控制訊號Q1C的電壓位準控制為L12，在一實施例中，L12等於L11。
請繼續參閱圖4，在一實施例中，於第一預充電時段T1後，根據轉換電容器CF之低電壓端(切換節點CN)的電壓是否超過電壓閾值Lscf而判斷轉換電容器CF是否發生短路或漏電。如圖4所示，本實施例中，切換節點CN的電壓於時段Tdet1內並未超過電壓閾值Lscf，因此判斷轉換電容器CF並未發生短路或漏電而順利繼續操作。另一方面，若切換節點CN的電壓於時段Tdet1內並未超過電壓閾值Lscf，則可以例如關機或是通知系統或使用者。
請繼續參閱圖4，在一實施例中，於第二預充電時段T2後，根據輸出電壓Vout是否未超過電壓閾值Lsco，藉此判斷輸出電容器Cout是否發生短路或漏電，或判斷是否未能完成預充電。如圖4所示，本實施例中，輸出電壓Vout於時段Tdet2內已超過電壓閾值Lsco，因此判斷輸出電容器Cout並未發生短路或漏電，且判斷已完成預充電而順利繼續操作。另一方面，若輸出電壓Vout於時段Tdet2內並未超過電壓閾值Lscf，則可以例如關機或是通知系統或使用者。
請繼續參閱圖2，在一實施例中，複數轉換電晶體(如Q1~Q4)、預充電控制電路21以及切換控制電路22與選擇開關S1, S2可以整合為一積體電路(亦即，如圖2所示的轉換控制電路20)。在一實施例中，輸出節點Ncout對應於轉換控制電路20的輸出接腳，切換節點CP與CN則分別對應於轉換控制電路20的轉換正端接腳與轉換負端接腳，輸入電源(Vin)則對應於轉換控制電路20的電源輸入接腳。
圖5顯示本發明之切換電容式電源轉換電路之一實施例示意圖 (切換電容式電源轉換電路105)，除了前述如圖2與圖3所示的實施例之外，本發明的精神還可擴大其範圍。切換電容式電源轉換電路105包含至少一轉換電容器CF，複數轉換電晶體(如圖5所示之轉換電晶體Q1~Qm，其中m為大於1的正整數)，以及輸出電容器Cout。本實施例中，於切換轉換模式中，轉換電晶體Q1~Qm週期性地分時切換，使得轉換電容器CF週期性地分時輪流電連接於輸入電源與至少一分壓節點(Nd1~Ndx)中的任一分壓節點之間、分壓節點Nd1~Ndx之中的一對之間(在具有複數分壓節點的實施例中)、或者至少一分壓節點(Nd1~Ndx) 中的任一分壓節點與接地電位之間，以轉換輸入電源而於輸出節點Nout產生輸出電源。其中輸出節點對應於至少一分壓節點(Nd1~Ndx) 中的一分壓節點，x大於等於1。本實施例中，藉由上述的切換式電源轉換之操作，於穩態時，輸入電壓Vin為輸出電壓Vout的k倍，且輸入電源的電流為輸出電源的電流的1/k倍，其中k為大於1的實數。
在一實施例中，轉換電容器並不限於1個，亦可以包含多個轉換電容器，彼此例如以交錯的方式進行上述的電容式電源轉換。在此情況下，複數轉換電容器的預充電可以是依序進行，也可以是同時進行，可根據實際應用條件而為可選。
請同時回閱圖2，就一觀點而言，切換電容式電源轉換電路102為上述切換電容式電源轉換電路105的一特例，其中切換電容式電源轉換電路102具有一分壓節點，其對應於前述的輸出節點Nout，而切換電容式電源轉換電路102之電流放大倍數k等於2。
此外，在一實施例中，前述的預充電階段的預設之電壓位準相關於輸出電壓Vout與實數k。
圖6顯示本發明之切換電容式電源轉換電路中，次轉換控制電路之一實施例示意圖 (次轉換控制電路26)，在一實施例中，預充電控制電路21以及切換控制電路22與選擇開關S1, S2可以整合為一積體電路(亦即，如圖6所示的次轉換控制電路26)。在一實施例中，次轉換控制電路26用以產生前述的轉換控制訊號Q1C~QmC，以分別控制轉換電晶體Q1~Qm。
圖7顯示本發明之切換電容式電源轉換電路中，預充電控制電路之另一具體實施例示意圖 (預充電控制電路27)，在一實施例中，如圖7所示，預充電控制電路27包括箝位電路271，用以根據流經轉換電晶體Q1的電流IQ1而產生轉換控制訊號Q1C(如圖4中的電壓位準L11或L12)以控制轉換電晶體Q1，以產生前述的預充電電流(如圖4中的電流Iin或Icf)。其他的轉換電晶體(如Q2)亦可以上述之箝位控制方式(如圖4中的電壓位準L21或L22)來控制流經轉換電晶體的電流。
圖8顯示本發明之切換電容式電源轉換電路的另一具體實施例示意圖 (切換電容式電源轉換電路108)，在一實施例中，於切換轉換模式中，如圖8所示，輸入電源以定電流模式(如圖8所示的Iin)供應電力予切換電容式電源轉換電路108，在此情況下，於切換轉換模式中，輸入電流Iin為固定電流，輸出電流Iout亦為固定電流，但仍維持前述中，輸出電流Iout為輸入電流Iin的k倍(本實施例中對應為2倍)的關係。此實施例中，負載電路30例如可對應於可充電電池。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，舉例而言，兩個或以上之實施例可以組合運用，而一實施例中之部分組成亦可用以取代另一實施例中對應之組成部件。此外，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，舉例而言，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及／或比例轉換等，之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸出結果。由此可知，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，其組合方式甚多，在此不一一列舉說明。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
101A~101B,102~103,105,108:切換電容式電源轉換電路 20:轉換控制電路 21,27:預充電控制電路 22:切換控制電路 26:次轉換控制電路 271:箝位電路 30:負載電路 CF:轉換電容器 CP,CN:切換節點 Cout:輸出電容器 Icf,IQ1:電流 Iin:輸入電流 Ild:負載電流 Iout:輸出電流 Iref1:參考電流源 k:電流放大倍數 L11,L12,L21,L22:電壓位準 Lcf,Lout:電流位準 Lscf,Lsco:電壓閾值 Lsw:高電位 Nd1~Ndx:分壓節點 Nout:輸出節點 Q1~Q4,Qm:轉換電晶體 Q1C~Q4C:轉換控制訊號 Q1m,Q4m:電流控制電晶體 S1,S2:選擇開關 SEL:模式切換訊號 T1,T2:預充電時段 Tbal:平衡時段 Tdet1,Tdet2:時段 Vin:輸入電壓 Vout:輸出電壓
圖1A與圖1B顯示一種先前技術之電容式電源轉換電路。
圖2顯示本發明之切換電容式電源轉換電路之一實施例方塊圖。
圖3顯示本發明之切換電容式電源轉換電路之一具體實施例示意圖。
圖4顯示對應於本發明之切換電容式電源轉換電路之一實施例的操作波形圖。
圖5顯示本發明之切換電容式電源轉換電路之一實施例示意圖。
圖6顯示本發明之切換電容式電源轉換電路中，次轉換控制電路之一實施例示意圖。
圖7顯示本發明之切換電容式電源轉換電路中，預充電控制電路之另一具體實施例示意圖。
圖8顯示本發明之切換電容式電源轉換電路的另一具體實施例示意圖。
無
102:切換電容式電源轉換電路
20:轉換控制電路
21:預充電控制電路
22:切換控制電路
30:負載電路
CF:轉換電容器
CP,CN:切換節點
Cout:輸出電容器
Icf:電流
Iin:輸入電流
Ild:負載電流
Iout:輸出電流
Nout:輸出節點
Q1~Q4:轉換電晶體
Q1C~Q4C:轉換控制訊號
S1,S2:選擇開關
SEL:模式切換訊號
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓

Claims (31)

  1. 一種切換電容式電源轉換電路，包含： 一轉換電容器； 複數轉換電晶體，耦接於該轉換電容器，用以轉換一輸入電源而於一輸出節點產生一輸出電源；以及 一輸出電容器，耦接於該輸出節點； 其中於一切換轉換模式中，該複數轉換電晶體分時輪流切換該轉換電容器的電連接關係，使該轉換電容器週期性地分時輪流電連接於該輸入電源與至少一分壓節點中的一分壓節點之間、或者該至少一分壓節點中的一分壓節點與接地電位之間，或者在具有複數分壓節點時，電連接於該至少一分壓節點之中的一對之間，進而轉換該輸入電源而產生該輸出電源，其中該輸出節點對應於該至少一分壓節點中的一節點，其中於穩態時，該輸入電源的電壓為該輸出電源的電壓的k倍，且該輸入電源的電流為該輸出電源的電流的1/k倍，其中k為大於1的自然數； 其中於一預充電模式中，該切換電容式電源轉換電路進行以下之預充電操作： 於第一預充電時段內，控制該複數轉換電晶體的一第一轉換電晶體以提供第一預充電電流而對該轉換電容器預充電至一預設電壓位準，且於該第一預充電時段內避免對該輸出電容器充電；以及 於第二預充電時段內，控制該複數轉換電晶體的一第二轉換電晶體以通過該輸出節點提供第二預充電電流而對該輸出電容器預充電至該預設電壓位準，且該第二預充電電流同時用以供應一負載電流予一負載電路； 其中該第一預充電電流不大於一第一預設電流位準，該第二預充電電流不大於一第二預設電流位準，且該負載電流不小於一第三預設電流位準。
  2. 如請求項1之切換電容式電源轉換電路，其中於該預充電模式後才操作該切換轉換模式。
  3. 如請求項1之切換電容式電源轉換電路，其中該第一預充電時段早於該第二預充電時段。
  4. 如請求項1之切換電容式電源轉換電路，其中該切換電容式電源轉換電路更於一平衡時段內，控制該第一轉換電晶體與該第二轉換電晶體以平衡該轉換電容器與該輸出電容器的電壓至該預設之電壓位準。
  5. 如請求項1之切換電容式電源轉換電路，其中該第一轉換電晶體與該第二轉換電晶體為串聯，其中該轉換電容器、該第一轉換電晶體與該第二轉換電晶體之一端耦接於一切換節點，該輸出電容器耦接於該第二轉換電晶體之另一端，其中於該第二預充電時段，該第一轉換電晶體提供至少該第二預充電電流至該切換節點。
  6. 如請求項1之切換電容式電源轉換電路，其中該第一預設電流位準與該第二預設電流位準相等，且該負載電流小於該第二預充電電流。
  7. 如請求項1之切換電容式電源轉換電路，其中於該預充電模式中，該第一轉換電晶體配置為一電流源或一電流箝位電路，用以提供該第一預充電電流。
  8. 如請求項1之切換電容式電源轉換電路，其中於該第二預充電時段內，該第二轉換電晶體配置為一電流源或一電流箝位電路，用以提供該第二預充電電流。
  9. 如請求項1之切換電容式電源轉換電路，其中於該第一預充電時段後，根據該轉換電容器之低電壓端的電壓是否超過一電壓閾值而判斷該轉換電容器是否發生短路或漏電。
  10. 如請求項1之切換電容式電源轉換電路，其中於該第二預充電時段後，根據該輸出電壓是否未超過一電壓閾值，藉此判斷該輸出電容器是否發生短路或漏電，或判斷是否未能完成預充電。
  11. 如請求項1之切換電容式電源轉換電路，該切換電容式電源轉換電路配置為： 該複數轉換電晶體的該第一轉換電晶體、該第二轉換電晶體、一第三轉換電晶體以及一第四轉換電晶體依序串聯於該輸入電源與該接地電位之間，其中該第一轉換電晶體與該第二轉換電晶體耦接於該轉換電容器的一端，該第三轉換電晶體以及該第四轉換電晶體耦接於該轉換電容器的另一端，該第二轉換電晶體、該第三轉換電晶體與該輸出電容器耦接於該輸出節點； 其中於該切換轉換模式中，該第一轉換電晶體、該第二轉換電晶體、該第三轉換電晶體以及該第四轉換電晶體分時切換，使得該轉換電容器分時輪流電連接於該輸入電源與該輸出節點之間，以及電連接於該輸出節點與該接地電位之間，進而使得該輸入電源的電壓為該輸出電源的電壓的2倍，且該輸入電源的電流為該輸出電源的電流的1/2倍。
  12. 如請求項1之切換電容式電源轉換電路，其中於該切換轉換模式中： 該輸入電源的電壓為定電壓，且該輸出電源的電壓亦為定電壓；或者 該輸入電源的電流為定電流，且該輸出電源的電流亦為定電流。
  13. 一種轉換控制電路，用以控制一轉換電容器與一輸出電容器之操作，而轉換一輸入電源而於一輸出節點產生一輸出電源，該輸出電容器耦接於該輸出節點；該轉換控制電路包含： 複數轉換電晶體，耦接於該轉換電容器； 一預充電控制電路，用以於一預充電模式中控制該複數轉換電晶體；以及 一切換控制電路，用以於一切換轉換模式中控制該複數轉換電晶體； 其中於該切換轉換模式中，該切換控制電路控制該複數轉換電晶體分時輪流切換該轉換電容器的電連接關係，使該轉換電容器週期性地分時輪流電連接於該輸入電源與至少一分壓節點中的一分壓節點之間、或者該至少一分壓節點中的一分壓節點與接地電位之間，或者在具有複數分壓節點時，電連接於該至少一分壓節點之中的一對之間，進而轉換該輸入電源而產生該輸出電源，其中該輸出節點對應於該至少一分壓節點中的一節點，其中於穩態時，該輸入電源的電壓為該輸出電源的電壓的k倍，且該輸入電源的電流為該輸出電源的電流的1/k倍，其中k為大於1的自然數； 其中於該預充電模式中，該預充電控制電路控制該複數轉換電晶體進行以下之預充電操作： 於第一預充電時段內，控制該複數轉換電晶體的一第一轉換電晶體以提供第一預充電電流而對該轉換電容器預充電至一預設電壓位準，且於該第一預充電時段內避免對該輸出電容器充電；以及 於第二預充電時段內，控制該複數轉換電晶體的一第二轉換電晶體以通過該輸出節點提供第二預充電電流而對該輸出電容器預充電至該預設電壓位準，且該第二預充電電流同時用以供應一負載電流予一負載電路； 其中該第一預充電電流不大於一第一預設電流位準，該第二預充電電流不大於一第二預設電流位準，且該負載電流不小於一第三預設電流位準。
  14. 如請求項13之轉換控制電路，其中於該預充電模式後才操作該切換轉換模式。
  15. 如請求項13之轉換控制電路，其中該第一預充電時段早於該第二預充電時段。
  16. 如請求項13之轉換控制電路，其中該切換電容式電源轉換電路更於一平衡時段內，控制該第一轉換電晶體與該第二轉換電晶體以平衡該轉換電容器與該輸出電容器的電壓至該預設之電壓位準。
  17. 如請求項13之轉換控制電路，其中該第一轉換電晶體與該第二轉換電晶體為串聯，其中該轉換電容器、該第一轉換電晶體與該第二轉換電晶體之一端耦接於一切換節點，該輸出電容器耦接於該第二轉換電晶體之另一端，其中於該第二預充電時段，該第一轉換電晶體提供至少該第二預充電電流至該切換節點。
  18. 如請求項13之轉換控制電路，其中該第一預設電流位準與該第二預設電流位準相等，且該負載電流小於該第二預充電電流。
  19. 如請求項13之轉換控制電路，其中於該預充電模式中，該第一轉換電晶體配置為一電流源或一電流箝位電路，用以提供該第一預充電電流。
  20. 如請求項13之轉換控制電路，其中於該第二預充電時段內，該第二轉換電晶體配置為一電流源或一電流箝位電路，用以提供該第二預充電電流。
  21. 如請求項13之轉換控制電路，其中於該第一預充電時段後，根據該轉換電容器之低電壓端的電壓是否超過一電壓閾值而判斷該轉換電容器是否發生短路或漏電。
  22. 如請求項13之轉換控制電路，其中於該第二預充電時段後，根據該輸出電壓是否未超過一電壓閾值，藉此判斷該輸出電容器是否發生短路或漏電，或判斷是否未能完成預充電。
  23. 如請求項13之轉換控制電路，該轉換控制電路配置為： 該複數轉換電晶體的該第一轉換電晶體、該第二轉換電晶體、一第三轉換電晶體以及一第四轉換電晶體依序串聯於該輸入電源與該接地電位之間，其中該第一轉換電晶體與該第二轉換電晶體耦接於該轉換電容器的一端，該第三轉換電晶體以及該第四轉換電晶體耦接於該轉換電容器的另一端，該第二轉換電晶體、該第三轉換電晶體與該輸出電容器耦接於該輸出節點； 其中於該切換轉換模式中，該第一轉換電晶體、該第二轉換電晶體、該第三轉換電晶體以及該第四轉換電晶體分時切換，使得該轉換電容器分時輪流電連接於該輸入電源與該輸出節點之間，以及電連接於該輸出節點與該接地電位之間，進而使得該輸入電源的電壓為該輸出電源的電壓的2倍，且該輸入電源的電流為該輸出電源的電流的1/2倍。
  24. 如請求項13之轉換控制電路，其中於該切換轉換模式中： 該輸入電源的電壓為定電壓，且該輸出電源的電壓亦為定電壓；或者 該輸入電源的電流為定電流，且該輸出電源的電流亦為定電流。
  25. 一種控制方法，用以控制複數轉換電晶體、一轉換電容器以及一輸出電容器之操作，而轉換一輸入電源而於一輸出節點產生一輸出電源，該輸出電容器耦接於該輸出節點；該控制方法包含： 於一切換轉換模式中，該切換控制電路控制該複數轉換電晶體分時輪流切換該轉換電容器的電連接關係，使該轉換電容器週期性地分時輪流電連接於該輸入電源與至少一分壓節點中的一分壓節點之間、或者該至少一分壓節點中的一分壓節點與接地電位之間，或者在具有複數分壓節點時，電連接於該至少一分壓節點之中的一對之間，進而轉換該輸入電源而產生該輸出電源，其中該輸出節點對應於該至少一分壓節點中的一節點，其中於穩態時，該輸入電源的電壓為該輸出電源的電壓的k倍，且該輸入電源的電流為該輸出電源的電流的1/k倍，其中k為大於1的自然數；以及 於一預充電模式中，控制該複數轉換電晶體進行一預充電操作，其中該預充電操作包括以下步驟： 於第一預充電時段內，控制該複數轉換電晶體的一第一轉換電晶體以提供第一預充電電流而對該轉換電容器預充電至一預設電壓位準，且於該第一預充電時段內避免對該輸出電容器充電；以及 於第二預充電時段內，控制該複數轉換電晶體的一第二轉換電晶體以通過該輸出節點提供第二預充電電流而對該輸出電容器預充電至該預設電壓位準，且該第二預充電電流同時用以供應一負載電流予一負載電路； 其中該第一預充電電流不大於一第一預設電流位準，該第二預充電電流不大於一第二預設電流位準，且該負載電流不小於一第三預設電流位準。
  26. 如請求項25之控制方法，其中於該預充電模式後才操作該切換轉換模式。
  27. 如請求項25之控制方法，其中該第一預充電時段早於該第二預充電時段。
  28. 如請求項25之控制方法，其中該預充電操作更包括以下步驟：於一平衡時段內，控制該第一轉換電晶體與該第二轉換電晶體以平衡該轉換電容器與該輸出電容器的電壓至該預設之電壓位準。
  29. 如請求項25之控制方法，其中該第一預設電流位準與該第二預設電流位準相等，且該負載電流小於該第二預充電電流。
  30. 如請求項25之控制方法，其中該預充電操作更包括以下步驟：於該第一預充電時段後，根據該轉換電容器之低電壓端的電壓是否超過一電壓閾值而判斷該轉換電容器是否發生短路或漏電。
  31. 如請求項25之控制方法，其中該預充電操作更包括以下步驟：於該第二預充電時段後，根據該輸出電壓是否未超過一電壓閾值，藉此判斷該輸出電容器是否發生短路或漏電，或判斷是否未能完成該預充電操作。
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