TWI761875B - 開關式電容直流/直流電壓轉換器及其控制方法 - Google Patents

開關式電容直流/直流電壓轉換器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種開關式電容直流/直流電壓轉換器，包括：至少一開關陣列以及一控制電路，其中開關陣列包括一電容、一第一一開關群、一第二開關群、一第三開關群、一第四開關群，其中該第一、二、三、四開關群分別包括複數個互相並聯的功率開關。控制電路輸出第一控制訊號組至該第一開關群及該第三開關群，且輸出第二控制訊號組至該第二開關群及該第四開關群。

Description

開關式電容直流/直流電壓轉換器及其控制方法
本發明涉及一種電壓轉換器，尤其涉及一種開關式電容直流/直流電壓轉換器及其控制方法。
低消耗功率是目前微處理器(MCU)或是其他消耗性電子產品的重要趨勢，而未來應用於物聯網之微處理器或是IC將為有極大部分都是於輕載電流輸出範圍下操作，因此輕載高效率之設計將會是開關式電容直流轉直流電源轉換器之設計重點之一。
舉一種習知開關式電容直流/直流電壓轉換器為例，請參考圖1A，習知一種轉換比例為2：1的開關式電容直流/直流電壓轉換器1包括電壓源Vin、開關電路10、電容C、負載電阻RL1，其中開關電路10包括第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3、第四開關SW4，電容C的一端與第一開關SW1、第二開關SW2電性連接，電容C的另一端與第三開關SW3、第四開關SW4電性連接，第二開關SW2與第三開關S3互相電性連接。透過一時脈產生器(圖未示)產生分時交錯的第一時脈控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0003-4
與第二時脈控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0003-5
(如圖1B所示)，其中第一時脈控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0003-6
與第二時脈控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0003-7
具有一樣的週期T。第一時脈控 制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0004-8
輸出至第一開關SW1和第三開關SW3，第二時脈控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0004-9
輸出至第二開關SW2和第四開關SW4，以控制電容C週期性充放電。
對於熟悉開關式電容直流轉直流轉換器領域者而言，為了產生不同的轉換比例的開關式電容直流/直流電壓轉換器，可將開關電路10的四個端點(第一端P為第一開關SW1未連接電容C的一端，第二端Q為第二開關SW2未連接電容C的一端，第三端R為第四電開關SW4未連接電容C的一端，第四端S為第三開關SW3未連接電容的一端)與其他開關電路做疊加或是電性連接到輸入電壓、輸出電壓、地端，如圖1D-1G。而針對不同的轉換比例的開關式電容直流/直流電壓轉換器，熟悉該項領域者應可簡單地將多個開關分類為受第一時脈控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0004-10
控制之開關和受第二時脈控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0004-11
控制之開關。
然而，習知開關式電容直流轉直流電源轉換器1的負載電阻RL1上的輸出電壓Vout的跨壓振幅△Vout具有高輸出漣波(如圖1C所示)，嚴重影響了其能量使用效率、運算效能和運作強健性。
習知的改善輸出漣波的方式可參考圖1H，圖1H繪示習知開關式電容直流/直流電壓轉換器的設計方法流程圖。關式電容直流/直流電壓轉換器的設計方法步驟包括設定輸入電壓Vin、期望的輸出電壓、期望的輸出電流、期望的跨壓振幅(S101)；調整控制訊號的切換頻率fsw、開關面積與電容值大小(S103)；判斷輸出電壓Vout、輸出電流Iout、跨壓振幅△Vout是否符合期望的輸出電壓、期望的輸出電流、期望的跨壓振幅(S105)。若否則重複試驗調整控制訊號的切換頻率fsw、開關面積與電容值大小(S103)，直到判斷為是才結束此設計流程。一般來說，欲以習知的控制方法使跨壓振幅達到期望的跨壓振幅，將會對開關式電容直流/直流電壓轉換器的轉換效率造成負面影響。
有鑑於此，如何提供一種具有低輸出漣波的開關式電容直流轉直流電源轉換器且調變效率高是重要且具價值的技術。
本發明的目的在於提供一種具有低輸出漣波的開關式電容直流轉直流電源轉換器，可改善能量使用效率、運算效能和運作強健性。
為了達到上述的目的，本發明一實施例提供一種開關式電容直流/直流電壓轉換器，包括：至少一開關陣列以及一控制電路，其中開關陣列包括一電容、一第一開關群、一第二開關群、一第三開關群、一第四開關群，其中該第一、二、三、四開關群分別包括複數個互相並聯的功率開關，該電容的一端電性連接該第一開關群以及該第二開關群，該電容的另一端電性連接該第三開關群以及該第四開關群；控制電路將一控制訊號轉換為第一控制訊號組與第二控制訊號組，並輸出該第一控制訊號組至該第一、三開關群，且輸出該第二控制訊號組至該第二、四開關群，其中該第一、二控制訊號組分別包括相位依序延遲且工作週期依序縮小的複數個控制訊號。
較佳地，該些功率開關具有相同的面積。
較佳地，該些功率開關為金屬氧化物半導體場效電晶體。
較佳地，該些功率開關具有相同的長寬比。
較佳地，該第一、二、三、四開關群的每一個包含的該些功率開關之個數為N，該控制電路包括：一時脈分頻器，將該控制訊號分頻成一第一控制訊號以及N-1個等相位差控制訊號； 一非重疊訊號產生器，將該第一控制訊號轉換為該第一主控制訊號和該第二主控制訊號；以及一及閘陣列，將該第一主控制訊號與該N-1個等相位差控制訊號轉換為該第一控制訊號組，且將該第二主控制訊號與該N-1個等相位差控制訊號轉換為該第二控制訊號組。
較佳地，該時脈分頻器包括N個正反器以及一反向器。
較佳地，該非重疊訊號產生器包括一反向器、兩個反及閘以及兩個延遲單元。
較佳地，該及閘陣列包括2(N-1)個及閘。
較佳地，該第一、二、三、四開關群的每一個包含的該些功率開關之個數為N，該第一、二控制訊號組分別依序延遲的時間為1/2N個循環週期。
較佳地，該第一、二、三、四開關群的每一個包含的該些功率開關之個數為N，該第一、二控制訊號組的工作週期分別依序縮小1/N個工作週期。
為了達到上述的目的，本發明另一實施例提供一種開關式電容直流/直流電壓轉換器的控制方法，以一控制電路控制至少一開關陣列，該開關陣列包括一電容、一第一開關群、一第二開關群、一第三開關群、一第四開關群，其中該第一、二、三、四開關群分別包括複數個互相並聯的功率開關，該電容的一端電性連接該第一、三開關群，該電容的另一端電性連接該第二、四開關群，該控制電路執行的控制方法包括：將一控制訊號轉換為第一控制訊號組與第二控制訊號組；以及 輸出該第一控制訊號組至該第一開關群及該第三開關群，且輸出該第二控制訊號組至該第二開關群及該第四開關群；其中該第一、二控制訊號組分別包括相位依序延遲且工作週期依序縮小的複數個控制訊號。
較佳地，該第一、二、三、四開關群的每一個包含的該些功率開關之個數為N，該控制電路將該控制訊號轉換為該第一控制訊號組與該第二控制訊號組的步驟包括：將該控制訊號分頻成一第一控制訊號以及N-1個等相位差控制訊號；將該第一控制訊號轉換為該第一主控制訊號和該第二主控制訊號；以及將該第一主控制訊號與該N-1個等相位差控制訊號轉換為該第一控制訊號組，且將該第二主控制訊號與該N-1個等相位差控制訊號轉換為該第二控制訊號組。
較佳地，該第一、二、三、四開關群的每一個包含的該些功率開關之個數為N，第一、二控制訊號組分別依序延遲的時間為1/2N個循環週期。
較佳地，該第一、二、三、四開關群的每一個包含的該些功率開關之個數為N，該第一、二控制訊號組的工作週期分別依序縮小1/N個工作週期。
為了達到上述的目的，本發明另一實施例提供一種開關式電容直流/直流電壓轉換器，包括：至少一開關陣列，包括一電容以及至少一開關群，其中該該開關群包括複數個互相並聯的功率開關，該電容的一端電性連接該開關群；以及 一控制電路，將一控制訊號轉換為控制訊號組，並輸出該控制訊號組至該開關群，其中該控制訊號組包括相位依序延遲且工作週期依序縮小的複數個訊號。
為了達到上述的目的，本發明另一實施例提供一種開關式電容直流/直流電壓轉換器的控制方法，以一控制電路控制至少一開關陣列，該開關陣列包括一電容以及至少一開關群，其中該開關群包括複數個互相並聯的功率開關，該電容的一端電性連接該開關群，該控制電路執行的控制方法包括：將一控制訊號轉換為控制訊號組；以及輸出該第一訊號組至該開關群；其中該控制訊號組包括相位依序延遲且工作週期依序縮小的複數個控制訊號。
本領域普通技術人員將瞭解，雖然下面的詳細說明將參考圖示實施例、圖式進行，但本發明並不僅限於這些實施例。而是，本發明的範圍是廣泛的，且意在僅透過申請專利範圍限定本發明的範圍。
1、11、12、13、14:習知開關式電容直流/直流電壓轉換器
10:開關電路
SW1:第一開關
SW2:第二開關
SW3:第三開關
SW4:第四開關
Vin:電壓源
Vout:輸出電壓
Figure 109123183-A0305-02-0016-65
:第一時脈控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0016-66
:第二時脈控制訊號
C、Cfly:電容
RL1:負載電阻
T:週期
△Vout:跨壓振幅
2:開關式電容直流/直流電壓轉換器
210:開關陣列
G1:第一開關群
G2:第二開關群
G3:第三開關群
G4:第二四開關群
220:控制電路
221:控制訊號產生器
223:邏輯閘
2231:時脈分頻器
2232:反向器
2233:D型正反器
2235:非重疊訊號產生器
2236:反向器
2237:反及閘
2238:延遲單元
2239:及閘陣列
2240:及閘
CLK:控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0017-67
:第一控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0017-68
:第二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0017-69
:第一控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0017-70
:等相位差控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0017-71
:第一主控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0017-72
:第二主控制訊號
S1、S2、…、SN:功率開關
d:汲極
s:源極
g:閘極
RFSL、RSW:等效電阻
△R:漣波減少振幅
P、p:第一端
Q、q:第二端
R、r:第三端
S、s':第四端
透過閱讀參照以下圖式所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：[圖1A]繪示習知開關式電容直流/直流電壓轉換器的示意圖。
[圖1B]繪示習知開關式電容直流/直流電壓轉換器的時脈控制訊號時序圖。
[圖1C]繪示習知開關式電容直流/直流電壓轉換器的輸出電壓圖。
[圖1D]繪示習知開關式電容直流/直流電壓轉換器的示意圖。
[圖1E]繪示習知開關式電容直流/直流電壓轉換器的示意圖。
[圖1F]繪示習知開關式電容直流/直流電壓轉換器的示意圖。
[圖1G]繪示習知開關式電容直流/直流電壓轉換器的示意圖。
[圖1H]繪示習知開關式電容直流/直流電壓轉換器的設計方法流程圖。
[圖2A]繪示本發明一實施例的開關式電容直流/直流電壓轉換器的設計方法流程圖。
[圖2B]繪示本發明一實施例的開關式電容直流/直流電壓轉換器的示意圖。
[圖2C]繪示本發明一實施例的開關式電容直流/直流電壓轉換器的部分示意圖。
[圖2D]繪示本發明一實施例的開關式電容直流/直流電壓轉換器的控制電路的方塊圖。
[圖2E]繪示本發明一實施例的開關式電容直流/直流電壓轉換器的時脈分頻器的方塊圖。
[圖2F]繪示本發明一實施例的開關式電容直流/直流電壓轉換器的非重疊訊號產生器的方塊圖。
[圖2G]繪示本發明一實施例的開關式電容直流/直流電壓轉換器的及閘陣列的方塊圖。
[圖2H]繪示本發明一實施例的開關式電容直流/直流電壓轉換器的控制訊號與等效電阻時序圖。
[圖2I]繪示本發明一實施例的開關式電容直流/直流電壓轉換器的輸出電壓圖。
以下將透過實施例來解釋本發明內容，本發明的實施例並非用以限制本發明須在如實施例所述之任何特定的環境、應用或特殊方式方能實施。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以限制本發明。需說明者，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件已省略而未繪示，且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，並非用以限制實際比例。
為了使降低開關式電容直流/直流電壓轉換器的輸出漣波更有效率，本發明提出一種開關式電容直流/直流電壓轉換器的設計方法，請參考圖2A，圖2A繪示本發明一實施例的開關式電容直流/直流電壓轉換器的設計方法流程圖。關式電容直流/直流電壓轉換器的設計方法步驟包括設定輸入電壓Vin、期望的輸出電壓、期望的輸出電流、期望的跨壓振幅(S201)；調整控制訊號的切換頻率fsw、開關面積與電容值大小(S203)；分割開關，並以分散式的控制訊號控制分割(segmentation)開關(S205)；判斷輸出電壓Vout、輸出電流Iout、跨壓振幅△Vout是否符合期望的輸出電壓、期望的輸出電流、期望的跨壓振幅(S207)。若否則回到調整控制訊號的切換頻率fsw、開關面積與電容值大小(S203)，並以分散式的控制訊號控制分割開關(S205)，直到判斷為是才結束此設計流程。
以下將具體描述分散式的控制訊號如何控制開關陣列，請參閱圖2B，圖2B為繪示本發明一實施例的開關式電容直流/直流電壓轉換器的示意圖。如圖2B所示，開關式電容直流/直流電壓轉換器2包括至少一開關陣列210以及一控制電路220，開關陣列210具有與習知開關式電容直流/直流電壓轉換器1的開關電路10大致相同的電路，兩者的主要差異在於開關陣列210的至少一個開 關是經由將習知的開關電路10的單一開關經分割(segmentation)後的複數個功率開關所組成，且複數個功率開關互相並聯，且控制電路220產生分散式的控制訊號組來控制開關陣列210。
更具體地，開關陣列210包括一電容Cfly和至少一開關群，例如一個開關群和三個單一開關。根據一實施例，開關陣列210包括四個開關群，分別為一第一開關群G1、一第二開關群G2、一第三開關群G3以及一第四開關群G4，其中第一、二、三、四開關群G1、G2、G2、G分別包括複數個功率開關，舉例來說，每一個開關群包括相同個數(例如N個)且互相並聯的功率開關S1、S2、…、SN，然不以此為限，亦可具有不同個數的開關。
對於熟悉開關式電容直流轉直流轉換器領域者而言，為了產生不同的轉換比例的開關式電容直流/直流電壓轉換器，可將開關陣列210的四個端點(第一端p為第一開關群G1未連接電容Cfly的一端，第二端q為第二開關群G2未連接電容Cfly的一端，第三端r為第四開關群G4未連接電容Cfly的一端，第四端s'為第三開關群G3未連接電容Cfly的一端)與其他開關電路做疊加或是電性連接到輸入電壓、輸出電壓、地端，如圖1D-1G。而針對不同的轉換比例的開關式電容直流/直流電壓轉換器，熟悉該項領域者應可簡單地將多個開關群分類為受第一控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0011-1
控制之開關和受第二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0011-12
控制之開關。其中第一控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0011-2
和第二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0011-3
可為數位的時脈訊號，例如圖2H顯示，然不以此為限。
更具體地，第一開關群G1的多個功率開關S1、S2、…、SN具有第一共同端和第二共同端，第一二開關群G2的多個功率開關S1、S2、…、SN具有第一共同端和第二共同端，第三開關群G3的多個功率開關S1、S2、…、SN具有 第一共同端和第二共同端，第四開關群G4的多個功率開關S1、S2、…、SN具有第一共同端和第二共同端。電容Cfly的一端與第一開關群G1的第一共同端、第二開關群G2的第一共同端電性連接，電容Cfly的另一端與第三開關群G3的第一共同端、第四開關群G4的第一共同端電性連接。第一開關群G1的第二共同端為開關陣列210的第一端p，第二開關群G2的第二共同端為開關陣列210的第二端q，第四開關群G4的第二共同端為開關陣列210的第三端r，第三開關群G3的第二共同端為開關陣列210的第四端s'。
控制電路220包括控制訊號產生器221和邏輯閘223。控制訊號產生器221產生一個控制訊號(例如時脈方波、三角波或正弦波)至邏輯閘223，邏輯閘223將來自控制訊號產生器221的控制訊號轉換為第一控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0012-13
和第二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0012-14
，並輸出該第一控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0012-15
至第一開關群G1及第三開關群G3，且輸出第二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0012-17
至第二開關群G2及第四開關群G4。其中
Figure 109123183-A0305-02-0012-78
第一控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0012-21
包括相位依序延遲且工作週期依序縮小的複數個控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0012-22
、
Figure 109123183-A0305-02-0012-24
、…、
Figure 109123183-A0305-02-0012-25
，第二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0012-26
包括相位依序延遲且工作週期依序縮小的複數個控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0012-27
、
Figure 109123183-A0305-02-0012-28
、…、
Figure 109123183-A0305-02-0012-29
。第一控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0012-30
的第一主控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0012-31
與第二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0012-32
的第二主控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0012-33
可互為反相訊號或各自獨立的訊號。
接下來將進一步說明多個功率開關S1、S2、…、SN的實施例，請參閱圖2C。圖2C為繪示本發明一實施例的開關式電容直流/直流電壓轉換器的部分示意圖，由於一個開關群G1/G2/G3/G4與控制電路220的連接關係皆相同，且控制電路220可至少控制其中一個開關群G1/G2/G3/G4，故圖2B僅顯示其中一 個開關群G1/G2/G3/G4。根據一實施例，多個功率開關S1、S2、…、SN可具有相同的長寬比W/L或相同的面積，然不以此為限。根據一實施例，習知的開關SW1/SW2/SW3/SW4的長寬比可與開關群G1/G2/G3/G4的功率開關S1、S2、…、SN的長寬比相同或為N倍，然不以此為限。多個功率開關S1、S2、…、SN可為N型金屬氧化物半導體場效電晶體或P型金屬氧化物半導體場效電晶體。圖2C僅顯示N型金屬氧化物半導體場效電晶體，然不以此為限。
根據一實施例，多個功率開關S1、S2、…、SN的源極s彼此電性連接且多個功率開關S1、S2、…、SN的汲極d彼此電性連接。邏輯閘223將第一控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0013-34
分別輸出至第一開關群G1的多個功率開關S1、S2、…、SN的閘極g，且大致上同步地將第一控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0013-35
分別輸出至第三開關群G3的多個功率開關S1、S2、…、SN的閘極g，其中第一控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0013-36
與多個功率開關S1、S2、…、SN為一對一的關係。同時，邏輯閘223將第二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0013-37
分別輸出至第二開關群G2的多個功率開關S1、S2、…、SN的閘極g，且大致上同步地將第二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0013-38
分別輸出第四開關群G4的多個功率開關S1、S2、…、SN的閘極g，其中第二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0013-39
與多個功率開關S1、S2、…、SN為一對一的關係。根據一實施例，第一控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0013-40
和第二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0013-41
分別為相位可個別調整的複數個獨立控制訊號。
根據一實施例，電容Cfly為快速充放電電容，然不以此為限。
搭配參閱圖2B和圖2C，參閱圖2D，圖2D為繪示本發明一實施例的開關式電容直流/直流電壓轉換器的控制電路的方塊圖，控制電路220包括控制訊號產生器221和邏輯閘223，控制訊號產生器221輸出一控制訊號CLK至邏輯 閘223。邏輯閘223包括時脈分頻器(圖中簡稱分頻器)2231、非重疊訊號產生器2235和及閘陣列2239。
時脈分頻器2231將時脈訊號CLK分頻成一個第一控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0014-42
以及N-1個等相位差控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0014-43
，並將第一控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0014-44
輸出至非重疊訊號產生器2235，且將及N-1個等相位差控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0014-45
分別輸出至及閘陣列2239，其中j
Figure 109123183-A0305-02-0014-79
根據一實施例，時脈分頻器2231可如圖2E所示，包括N個正反器2232以及一反向器2233，其中正反器2232可為D型正反器，且多個正反器2232的每一個的D端與相鄰的另一個的Q端互相電性連接，然不以此為限。
非重疊訊號產生器2235將第一控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0014-49
轉換為兩正半週期且互不相重疊之第一主控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0014-50
和該第二主控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0014-52
，使第一主控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0014-53
與第二主控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0014-54
互為反相訊號或獨立的訊號。
根據一實施例，非重疊訊號產生器2235可如圖2E所示，包括一反向器2236、兩個反及閘2237以及兩個延遲單元2238，然不以此為限。
及閘陣列2239將第一主控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0014-55
與N-1個等相位差控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0014-56
轉換為第一控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0014-57
，且將第二主控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0014-58
與該N-1個等相位差控制訊號
Figure 109123183-A0305-02-0014-75
轉換為該第二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0014-60
。
根據一實施例，及閘陣列2239可如圖2G所示，包括2(N-1)個及閘2240，然不以此為限。
藉由上述的設計與安排，第一、二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0014-61
、
Figure 109123183-A0305-02-0014-62
的相位分別依序延遲的時間為1/2N個循環週期T，且第一、二控制訊號組
Figure 109123183-A0305-02-0014-63
、
Figure 109123183-A0305-02-0014-64
的工作週期分別依序縮小1/N個工作週期T/2(如圖2H所示)，使開關群G1、G2、G3、 G4的等效電阻RFSL依多個功率開關S1、S2、…、SN的個數呈量化縮小的週期性變化(如圖2G所示，從NRSW/1、NRSW/2、NRSW/3依序縮小至RSW，其中RSW為習知使用單一功率開關S1/S2/S3/S4的等效電阻，且功率開關S1的面積為多個功率開關S1、S2、…、SN的面積和)，且因多個功率開關S1、S2、…、SN的非理想效應而降低輸出負載單元RL的跨壓(輸出電壓Vout)振幅漣波(如圖2I所標示漣波減少振幅△R)。
綜上所述，本發明所揭露的開關式電容直流/直流電壓轉換器及其控制方法具有低輸出漣波，其電壓轉換電路保有習知的簡單架構與低成本，其控制電路的控制訊號可透過既有的交錯式時脈訊號搭配簡單的邏輯閘來生成，從而降低製作複雜度，且控制特性具有可擴展性，經過堆疊後可應用於大範圍的交錯式控制級數。此外，本發明所揭露的開關式電容直流/直流電壓轉換器及其控制方法僅以開迴路的方式調變電壓轉換電路的充放電過程，因此可與既有的開迴路降低漣波技術相容。
以上敘述依據本發明多個不同實施例，其中各項特徵可以單一或不同結合方式實施。因此，本發明實施方式之揭露為闡明本發明原則之具體實施例，應不拘限本發明於所揭示的實施例。進一步言之，先前敘述及其附圖僅為本發明示範之用，並不受其限囿。其他元件之變化或組合皆可能，且不悖于本發明之精神與範圍。
2:開關式電容直流/直流電壓轉換器
210:開關陣列
G1:第一開關群
G2:第二開關群
G3:第三開關群
G4:第四開關群
220:控制電路
221:控制訊號產生器
223:邏輯閘
Figure 109123183-A0101-11-0002-1
:第一控制訊號組
Figure 109123183-A0101-11-0002-2
:第二控制訊號組
S1 、S2 、…、SN :功率開關
p、q、r、s':第一、二、三、四端

Claims (16)

  1. 一種開關式電容直流/直流電壓轉換器，包括：至少一開關陣列，包括一電容、一第一開關群、一第二開關群、一第三開關群、一第四開關群，其中該第一、二、三、四開關群分別包括複數個互相並聯的功率開關，該電容的一端電性連接該第一開關群以及該第二開關群，該電容的另一端電性連接該第三開關群以及該第四開關群；以及一控制電路，將一控制訊號轉換為第一控制訊號組與第二控制訊號組，並輸出該第一控制訊號組至該第一、三開關群，且輸出該第二控制訊號組至該第二、四開關群，其中該第一、二控制訊號組分別包括相位依序延遲且工作週期依序縮小的複數個訊號。
  2. 如請求項1所述的開關式電容直流/直流電壓轉換器，其中該些功率開關具有相同的面積。
  3. 如請求項1所述的開關式電容直流/直流電壓轉換器，其中該些功率開關為金屬氧化物半導體場效電晶體。
  4. 如請求項1所述的開關式電容直流/直流電壓轉換器，其中該些功率開關具有相同的長寬比。
  5. 如請求項1所述的開關式電容直流/直流電壓轉換器，其中該第一、二、三、四開關群的每一個包含的該些功率開關之個數為N，該控制電路包括：一時脈分頻器，將該控制訊號分頻成一第一控制訊號以及N-1個等相位差控制訊號； 一非重疊訊號產生器，將該第一控制訊號轉換為該第一主控制訊號和該第二主控制訊號；以及一及閘陣列，將該第一主控制訊號與該N-1個等相位差控制訊號轉換為該第一控制訊號組，且將該第二主控制訊號與該N-1個等相位差控制訊號轉換為該第二控制訊號組。
  6. 如請求項5所述的開關式電容直流/直流電壓轉換器，其中該時脈分頻器包括N個正反器以及一反向器。
  7. 如請求項5所述的開關式電容直流/直流電壓轉換器，其中該非重疊訊號產生器包括一反向器、兩個反及閘以及兩個延遲單元。
  8. 如請求項5所述的開關式電容直流/直流電壓轉換器，其中該及閘陣列包括2(N-1)個及閘。
  9. 如請求項1所述的開關式電容直流/直流電壓轉換器，其中該第一、二、三、四開關群的每一個包含的該些功率開關之個數為N，該第一、二控制訊號組分別依序延遲的時間為1/2N個循環週期。
  10. 如請求項1所述的開關式電容直流/直流電壓轉換器，其中該第一、二、三、四開關群的每一個包含的該些功率開關之個數為N，該第一、二控制訊號組的工作週期分別依序縮小1/N個工作週期。
  11. 一種開關式電容直流/直流電壓轉換器的控制方法，以一控制電路控制至少一開關陣列，該開關陣列包括一電容、一第一開關群、一第二開關群、一第三開關群、一第四開關群，其中該第一、二、三、四開關群分別包括複數個互相並聯的功率開關，該電容的一端電性連接該第 一、三開關群，該電容的另一端電性連接該第二、四開關群，該控制電路執行的控制方法包括：將一控制訊號轉換為第一控制訊號組與第二控制訊號組；以及輸出該第一控制訊號組至該第一開關群及該第三開關群，且輸出該第二控制訊號組至該第二開關群及該第四開關群；其中該第一、二控制訊號組分別包括相位依序延遲且工作週期依序縮小的複數個控制訊號。
  12. 如請求項11所述的開關式電容直流/直流電壓轉換器的控制方法，其中該第一、二、三、四開關群的每一個包含的該些功率開關之個數為N，該控制電路將該控制訊號轉換為該第一控制訊號組與該第二控制訊號組的步驟包括：將該控制訊號分頻成一第一控制訊號以及N-1個等相位差控制訊號；將該第一控制訊號轉換為該第一主控制訊號和該第二主控制訊號；以及將該第一主控制訊號與該N-1個等相位差控制訊號轉換為該第一控制訊號組，且將該第二主控制訊號與該N-1個等相位差控制訊號轉換為該第二控制訊號組。
  13. 如請求項11所述的開關式電容直流/直流電壓轉換器的控制方法，其中該第一、二、三、四開關群的每一個包含的該些功率開關之個數為N，該第一、二控制訊號組分別依序延遲的時間為1/2N個循環週期。
  14. 如請求項11所述的開關式電容直流/直流電壓轉換器的控制方法，其中該第一、二、三、四開關群的每一個包含的該些功率開關之 個數為N，該第一、二控制訊號組的工作週期分別依序縮小1/N個工作週期。
  15. 一種開關式電容直流/直流電壓轉換器，包括：至少一開關陣列，包括一電容以及至少一開關群，其中該該開關群包括複數個互相並聯的功率開關，該電容的一端電性連接該開關群；以及一控制電路，將一控制訊號轉換為控制訊號組，並輸出該控制訊號組至該開關群，其中該控制訊號組包括相位依序延遲且工作週期依序縮小的複數個訊號。
  16. 一種開關式電容直流/直流電壓轉換器的控制方法，以一控制電路控制至少一開關陣列，該開關陣列包括一電容以及至少一開關群，其中該開關群包括複數個互相並聯的功率開關，該電容的一端電性連接該開關群，該控制電路執行的控制方法包括：將一控制訊號轉換為控制訊號組；以及輸出該第一訊號組至該開關群；其中該控制訊號組包括相位依序延遲且工作週期依序縮小的複數個控制訊號。
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