TWI767805B

TWI767805B - 切換式電容轉換電路及其中的切換轉換單元

Info

Publication number: TWI767805B
Application number: TW110127981A
Authority: TW
Inventors: 黃宗偉; 魏鼎宇; 范盛凱
Original assignee: 立錡科技股份有限公司
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2021-07-29
Publication date: 2022-06-11
Also published as: TW202222021A; CN114552972A

Abstract

一種切換式電容轉換電路包括複數電容器及複數開關，複數開關用以基於一切換週期而週期性地切換該複數電容器，於一第一時段，複數開關控制第一電容器電連接於第一電源與第二電源之間，且控制第二電容器與第三電容器串聯而電連接於第二電源與一接地電位之間；於一第二時段，複數開關控制第一電容器與第二電容器串聯而電連接於第二電源與接地電位之間，且控制第三電容器與第二電源並聯而電連接；藉此使得該第二電源之一第二電流與該第一電源之一第一電流之比值為4。

Description

切換式電容轉換電路及其中的切換轉換單元

本發明係有關於一種切換式電容轉換電路，特定而言係有關於一種可選擇不同轉換倍率切換式電容轉換電路。。本發明也有關於一種用於切換式電容轉換電路的切換轉換單元。

圖1顯示一種先前技術之充電系統1000，其中N倍切換式電容轉換器100用以藉由通過至少一電容器（如電容器CFLY）的切換，而進行第一電源（對應於第一電壓V1與第一電流I1）與第二電源（對應於第二電壓V2與第二電流I2）之間的轉換， N倍切換式電容轉換器100可設定其第一電壓V1與第二電壓V2之間的倍數N，N例如為第一電壓V1與第二電壓V2的比值，同時也是第二電流I2與第一電流I1的比值，可設定為2倍或4倍。

如圖1所示，在一種典型的應用中， N倍切換式電容轉換器100例如用以做為充電電路，將例如符合USB Type C規範的適配器30提供的第一電源轉換為第二電源，而對電池20充電。請同時參閱圖2，適配器30提供的第一電流I1的路徑上具有諸多寄生電阻，例如連接器、連接線上的寄生電阻（Rcn、Rwr），或者負載開關的導通電阻，因此，當第一電流I1愈高，則由寄生電阻所產生的能量損耗愈高，另一方面，如將第二電流I2與第一電流I1的比值N提高，則可以較低的第一電流I1轉換為相同的第二電流I2（對應為充電電流），因此，可有效降低寄生電阻所產生的能量損耗。

圖3顯示一種先前技術之切換式電容轉換器300，其配置了前後級耦接的2個切換轉換單元131與132，切換單元131與132例如各具有2倍之電流轉換倍率，亦即，切換轉換單元131的輸出電流I12為第一電流I1之2倍，而切換轉換單元132的輸出電流（對應於第二電流I2）為切換轉換單元131的輸出電流I12的2倍。

圖3之先前技術之切換式電容轉換器300，其缺點在於，由於較高的電壓轉換倍率，使得切換轉換單元131中的開關Q21~Q28，皆須為可耐高電壓的開關。就另一觀點而言，對於切換轉換單元131與132中，需要耐高電壓的開關，佔了開關總數量（Q21~Q28, Q31~Q38）的1/2，因而成本無法降低。

本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種新的切換式電容轉換電路，可支援多種電流與電壓轉換倍數，且僅需少量的可耐高電壓的開關，可有效降低成本與電路尺寸。

於一觀點中，本發明提供一種切換式電容轉換電路，用以將一第一電源轉換為一第二電源或將該第二電源轉換為該第一電源，該切換式電容轉換電路包含：至少一切換轉換單元；以及一控制電路，用以控制該切換轉換單元；該切換轉換單元包括：複數電容器，包括第一電容器、第二電容器以及第三電容器；以及複數開關，用以基於一切換週期而週期性地切換該複數電容器；其中於一4倍轉換模式下，於該切換週期中的一第一時段，該複數開關控制該第一電容器電連接於該第一電源與該第二電源之間，且控制該第二電容器與該第三電容器串聯而電連接於該第二電源與一接地電位之間；其中於該切換週期中的一第二時段，該複數開關控制該第一電容器與該第二電容器串聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間，且控制該第三電容器與該第二電源並聯而電連接；藉此週期性操作而進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換，使得於該4倍轉換模式下，該第一電源之一第一電壓與該第二電源之一第二電壓之比值為4，且該第二電源之一第二電流與該第一電源之一第一電流之比值為4。

於又一觀點中，本發明提供一種切換轉換單元，用以將一第一電源轉換為一第二電源或將該第二電源轉換為該第一電源，該切換轉換單元包含：複數電容器，包括第一電容器、第二電容器以及第三電容器；以及複數開關，用以基於一切換週期而週期性地切換該複數電容器；其中於一4倍轉換模式下，於該切換週期中的一第一時段，該複數開關控制該第一電容器電連接於該第一電源與該第二電源之間，且控制該第二電容器與該第三電容器串聯而電連接於該第二電源與一接地電位之間；其中於該切換週期中的一第二時段，該複數開關控制該第一電容器與該第二電容器串聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間，且控制該第三電容器與該第二電源並聯而電連接；藉此週期性操作而進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換，使得於該4倍轉換模式下，該第一電源之一第一電壓與該第二電源之一第二電壓之比值為4，且該第二電源之一第二電流與該第一電源之一第一電流之比值為4。

於一實施例中，於該4倍轉換模式下，於一穩態時，該第一電容器之跨壓、該第二電容器之跨壓與該第三電容器的跨壓之比值為3:2:1。

於一實施例中，該複數開關包括第一至第八開關，該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關依序串聯耦接於該第一電源與該第二電源之間，且依序兩兩耦接於第一節點、第二節點與第三節點，該第五開關與該第六開關串聯於該第二電源與該接地電位之間且彼此耦接於第四節點，該第七開關與該第八開關串聯於該第二電源與該接地電位之間且彼此耦接於第五節點；其中該第一電容器耦接於該第一節點與該第四節點之間，該第二電容器耦接於該第二節點與該第五節點之間，該第三電容器耦接於該第三節點與該第四節點之間；其中於該4倍轉換模式下，於該第一時段，該第一開關、該第三開關、該第五開關與該第八開關導通，且該第二開關、該第四開關、該第六開關與該第七開關為不導通，以控制該第一電容器電連接於該第一電源與該第二電源之間，且控制該第二電容器與該第三電容器串聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間；其中於該第二時段，該第一至該第八開關的每一開關以反相於該第一時段之狀態而操作，以控制該第一電容器與該第二電容器串聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間，且控制該第三電容器與該第二電源並聯而電連接；藉此週期性操作而進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換。

於一實施例中，於一2倍轉換模式下，該第二開關與第三開關恆導通；其中於該2倍轉換模式下，於該切換週期的一第一時段，該第一開關、該第五開關與該第七開關導通，且該第四開關、該第六開關與該第八開關不導通，以控制該第一電容器、該第二電容器與該第三電容器並聯而電連接於該第一電源與該第二電源之間；其中於該切換週期的一第二時段，該第一開關與該第四至該第八開關的每一開關以反相於該第一時段之狀態而操作，以控制該第一電容器、該第二電容器與該第三電容器並聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間；藉此週期性操作而使得該第一電壓與該第二電壓之比值為2，且該第二電源之一第二電流與該第一電源之一第一電流之比值為2。

於一實施例中，於一3倍轉換模式下，於該切換週期的一第一時段，該第一開關、該第二開關、該第四開關、該第六開關與該第七開關導通，且該第三開關、該第五開關與該第八開關不導通，以控制該第一電容器電連接於該第一電源與該接地電位之間，該第二電容器與該第三電容器串聯而電連接於該第一電源與該第二電源之間；其中於該切換週期的一第二時段，該第一至該第八開關的每一開關以反相於該第一時段之狀態而操作，以控制該第一電容器的第一端浮接，該第一電容器的第二端電連接於該第二電源，該第二電容器與該第三電容器串聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間；藉此週期性操作而使得該第一電壓與該第二電壓之比值為3，且該第二電源之一第二電流與該第一電源之一第一電流之比值為3。

於一實施例中，該第一開關包括彼此串聯的一第一電晶體與一第二電晶體，其中該第一電晶體的本體二極體與該第二電晶體的本體二極體彼此反向。

於一實施例中，於一旁通模式下，該第一至第四開關導通，且該第五至第八開關不導通，使得該第一電源與第二電源彼此直接電連接。

於一實施例中，該至少一切換轉換單元包括第一切換轉換單元與第二切換轉換單元，並聯於該第一電源與該第二電源之間，該第一切換轉換單元與該第二切換轉換單元以交錯相位方式切換各自對應的該複數開關，而進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換。

於一實施例中，第一部分之該複數開關具有第一耐壓，且於電源轉換操作中承受之電壓峰值為第一峰值電壓，且另外第二部分之該複數開關具有第二耐壓，且於電源轉換操作中承受之電壓峰值為第二峰值電壓，其中該第一峰值電壓為該第二峰值電壓的2倍。

於一實施例中，該第一部分之該複數開關之數量少於該複數開關總數的1/2，且該第二部分之該複數開關之數量多於該複數開關總數的1/2。

於一實施例中，於該4倍轉換模式中，該第一部分之該複數開關包括該第二開關與該第三開關，該第二部分之該複數開關包括該第一開關與第四至第八開關。

於一實施例中，該第一峰值電壓、該第二峰值電壓、該第一耐壓、第二耐壓之大小具有以下之關係：第一耐壓＞該第一峰值電壓＞第二耐壓＞該第二峰值電壓。

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4顯示本發明之切換式電容轉換電路之一電路方塊圖。在一實施例中，切換式電容轉換電路400用以將第一電源（對應於第一電壓V1與第一電流I1）轉換為第二電源（對應於第二電壓V2與第二電流I2）或將第二電源轉換為第一電源，切換式電容轉換電路400包含至少一切換轉換單元（如圖4所示的切換轉換單元14）以及控制電路50。切換轉換單元14包括複數電容器（如C1~Cm，m為大於等於2的整數）以及複數開關（如S1~Sk，k為大於等於2的整數），複數開關用以基於切換週期Ts而週期性地切換複數電容器以電容式電源轉換方式，進行第一電源與第二電源之間的轉換。控制電路50則用以控制切換轉換單元14。

在一實施例中，第一電源例如由符合USB Type C規範的適配器提供，第二電源例如用以對電池充電。在一實施例中，第一電流I1與第二電流I2皆為恆定電流，第二電流I2為第一電流I1的N倍，其中N為大於等於1的自然數。在由適配器提供恆定的第一電流I1，而產生恆定的第二電流以對電池充電的情況下，第一電壓V1的位準由第二電壓V2（對應為電池電壓）所決定，具體而言，第一電壓V1為第二電壓V2的N倍，在充電的過程中，由於電池電壓為隨充電過程而變，因此，第一電壓V1與第二電壓V2皆亦隨著充電過程而變化。

在另一實施例中，第一電壓V1與第二電壓V2皆為恆定電壓，第一電壓V1為第二電壓V2的N倍。

在其他實施例中，第二電壓V2例如對應於電池所提供的電池電壓，切換轉換單元14可將電池電壓轉換為第一電源而對外部負載供電，此操作例如對應於USB OTG（On The Go）操作。

圖5A與圖5B顯示根據本發明之切換式電容轉換電路中，切換轉換單元的具體實施例及其操作的示意圖。

在一實施例中，切換轉換單元150包括電容器C1（對應於第一電容器）、電容器C2（對應於第二電容器）以及電容器C3（對應於第三電容器）。本實施例中，所述的複數開關用以基於切換週期Ts而週期性地切換電容器C1、電容器C2以及電容器C3。

在一實施例中，本發明的切換轉換單元（如切換轉換單元150）可操作於於4倍、3倍、2倍或1倍之轉換模式，在一實施例中，在4倍轉換模式下，於切換週期Ts中的第一時段PH1，如圖5A的虛線路徑所示，複數開關控制電容器C1電連接於第一電源與第二電源之間，且控制電容器C2與電容器C3串聯而電連接於第二電源與接地電位之間，具體而言，如圖5A所示，電容器C2與電容器C3之正負端為反向耦接。

於切換週期Ts中的第二時段PH2，如圖5B的虛線路徑所示，複數開關控制電容器C1與電容器C2串聯而電連接於第二電源與接地電位之間，且控制電容器C3與第二電源並聯而電連接，具體而言，如圖5B所示，電容器C1與電容器C2之正負端為反向耦接。藉由上述基於切換週期Ts之週期性操作而進行第一電源與第二電源之間的電源轉換，使得於4倍轉換模式下，第一電壓V1與第二電壓V2之比值為4，同時，第二電流I2與第一電流I1的比值亦為4。在此高倍數模式下，在相同的第二電流I2的需求下，第一電流I1（例如由前述之適配器所提供）可有效降低。

繼續參閱圖5A與圖5B，在一具體實施例中，所述的複數開關包括開關Q11~Q18，其中開關Q11、開關Q12、開關Q13、開關Q14依序串聯耦接於第一電源與第二電源之間，且開關Q11與開關Q12耦接於節點N1、開關Q12與開關Q13節點N2，開關Q13與開關Q14節點N3，開關Q15與開關Q16串聯於第二電源與接地電位之間且彼此耦接於節點N4，開關Q17與開關Q18串聯於第二電源與接地電位之間且彼此耦接於節點N5；其中電容器C1耦接於節點N1與節點N4之間，電容器C2耦接於節點N2與節點N5之間，電容器C3耦接於節點N3與節點N4之間。

在一實施例中，如前述的控制電路50用以產生控制訊號dQ11~dQ18，分別用以控制上述的開關Q11~Q18。

於4倍轉換模式下的具體操作如下：於第一時段PH1（圖5A），開關Q11、開關Q13、開關Q15與開關Q18為導通（黑色開關示意導通，下同），且開關Q12、開關Q14、開關Q16與開關Q17為不導通（灰色開關示意不導通，下同），以控制電容器C1電連接於第一電源與第二電源之間，且控制電容器C2與電容器C3串聯而電連接於第二電源與接地電位之間。具體而言，本實施例中，於第一時段PH1，電容器C2之跨壓VC2與第二電壓V2同相，而電容器C3之跨壓VC3與第二電壓V2反相。

於第二時段PH2（圖5B），開關Q11~Q18的每一開關以反相於第一時段PH1之狀態而對應操作，亦即，開關Q11、開關Q13、開關Q15與開關Q18為不導通，且開關Q12、開關Q14、開關Q16與開關Q17為導通，以控制電容器C1與電容器C2串聯而電連接於第二電源與接地電位之間，且控制電容器C3與第二電源並聯而電連接。值得注意的是，本實施例中，於第二時段PH2，電容器C1之跨壓VC1與第二電壓V2同相，電容器C2之跨壓VC2與第二電壓V2反相，而電容器C3之跨壓VC3與第二電壓V2同相。

圖6顯示對應於圖5A與圖5B之切換式電容轉換電路的一具體實施例的操作波形圖。

如圖6所示，本實施例中，於4倍轉換模式下，於穩態時，第一電壓V1與第二電壓V2的比值為4倍，如圖6示例中，第一電壓V1為20V，第二電壓V2為5V，同時，第二電流I2與第一電流I1的比值亦為4倍，如圖6示例中，第二電流I2為8A，第一電流I1為2A。

另一方面，本實施例中，電容器C1之跨壓VC1、電容器C2之跨壓VC2與電容器C3之跨壓VC3之比值為3:2:1，具體而言，電容器C1之跨壓VC1、電容器C2之跨壓VC2與電容器C3之跨壓VC3分別為3*V2、2*V2、V2（例如但不限於對應於圖5與圖6中的15V、10V、5V）。

需說明的是，電容器C1之跨壓VC1對應於圖6中的節點N1與節點N4之間的電壓差，電容器C2之跨壓VC2對應於圖6中的節點N2與節點N5之間的電壓差，電容器C3之跨壓VC3對應於圖6中的節點N3與節點N4之間的電壓差。

請繼續參閱圖5A與圖5B，在一實施例中，切換轉換單元150還包括開關Q0，用以控制例如來自前述適配器的總線電源VBUS是否電連接於第一電源，而決定是否開始進行前述的電源轉換。此外，在一實施例中，切換轉換單元150還包括電容器CB1以及二極體DBT，用以自第一電源形成自舉電路而提供自舉電壓BST，以供應給用以驅動複數開關的驅動電路。此外，在第二電源做為輸出電源的情況下，在一實施例中，電容器Co可對應為輸出電容。

圖7A與圖7B顯示根據本發明之切換式電容轉換電路中，切換轉換單元的具體實施例及其操作的示意圖。圖7A與圖7B的切換轉換單元170與切換轉換單元150之硬體的配置相同，其不同之處在於切換轉換單元170操作於2倍轉換模式。

如圖7A與圖7B所示，於2倍轉換模式下，開關Q12與開關Q13恆導通。本實施例中，於2倍轉換模式下，於切換週期Ts的第一時段PH1，開關Q11、開關Q15與開關Q17為導通，且開關Q14、開關Q16與開關Q18不導通，以控制電容器C1、電容器C2與電容器C3並聯而電連接於第一電源與第二電源之間。

而於切換週期Ts的第二時段PH2，開關Q11與開關Q14~Q18的每一開關以反相於第一時段PH1之狀態而操作，亦即，開關Q11、開關Q15與開關Q17為不導通，且開關Q14、開關Q16與開關Q18為導通，以控制電容器C1、電容器C2與電容器C3並聯而電連接於第二電源與接地電位之間。

圖8顯示對應於圖7A與圖7B之切換式電容轉換電路的一實施例的操作波形圖。

如圖8所示，本實施例中，於2倍轉換模式下，於穩態時，第一電壓V1與第二電壓V2的比值為2倍，如圖8示例中，第一電壓V1為10V，第二電壓V2為5V，同時，第二電流I2與第一電流I1的比值亦為2倍，如圖6示例中，第二電流I2為8A，第一電流I1為4A。

另一方面，本實施例中，電容器C1之跨壓VC1、電容器C2之跨壓VC2與電容器C3之跨壓VC3之比值為1:1:1，具體而言，電容器C1之跨壓VC1、電容器C2之跨壓VC2與電容器C3之跨壓VC3分別皆等於V2（例如但不限於對應於圖5與圖6中的5V）。

圖9A與圖9B顯示根據本發明之切換式電容轉換電路中，切換轉換單元的具體實施例及其操作的示意圖。圖9A與圖9B的切換轉換單元190與切換轉換單元150之硬體的配置相同，其不同之處在於切換轉換單元190操作於3倍轉換模式。

如圖9A與圖9B所示，於3倍轉換模式下，於切換週期Ts的第一時段PH1，開關Q11、開關Q12、開關Q14、開關Q16與開關Q17為導通，且開關Q13、開關Q15與開關Q18為不導通，以控制電容器C1電連接於第一電源與接地電位之間，電容器C2與電容器C3串聯而電連接於第一電源與第二電源之間。

而於切換週期Ts的第二時段PH2，開關Q11~Q18的每一開關以反相於第一時段PH1之狀態而操作，亦即，開關Q11、開關Q12、開關Q14、開關Q16與開關Q17為不導通，且開關Q13、開關Q15與開關Q18為導通，以控制電容器C1的第一端浮接於節點N1，電容器C1的第二端電連接於第二電源，電容器C2與電容器C3串聯而電連接於第二電源與接地電位之間；值得注意的是，本實施例中，於第二時段PH2，電容器C2之跨壓VC2與第二電壓V2同相，而電容器C3之跨壓VC3與第二電壓V2反相。

圖10顯示對應於圖9A與圖9B之切換式電容轉換電路的一實施例的操作波形圖。

如圖10所示，本實施例中，於3倍轉換模式下，於穩態時，第一電壓V1與第二電壓V2的比值為3倍，如圖10示例中，第一電壓V1為15V，第二電壓V2為5V，同時，第二電流I2與第一電流I1的比值亦為3倍，如圖6示例中，第二電流I2為8A，第一電流I1約為2.67A。

值得注意的是，本實施例中，如圖9A與圖9B所示，開關Q11包括彼此串聯的電晶體Q11a與電晶體Q11b，其中電晶體Q11a的本體二極體Da與電晶體Q11b的本體二極體Db彼此反向，以防止開關Q11不導通時，可能由本體二極體所導通的電流。

圖11顯示根據本發明之切換式電容轉換電路中，切換轉換單元的具體實施例及其操作的示意圖。本實施例中，於旁通模式下，開關Q11~Q14導通，且開關Q15~Q18不導通，使得第一電源與第二電源彼此直接電連接，換言之，本實施例的切換轉換單元1100操作於1倍轉換模式。

圖12顯示本發明之切換式電容轉換電路之一實施例的電路方塊圖。

切換式電容轉換電路1200包括第一切換轉換單元1211與第二切換轉換單元1212，並聯於第一電源與第二電源之間，在一實施例中，第一切換轉換單元1211與第二切換轉換單元1212以交錯相位方式切換各自對應的複數開關，而進行第一電源與第二電源之間的電源轉換，藉此可有效降低輸出電壓（對應於V2或V1）與輸入電流的漣波（對應於I1或I2）。

請回閱圖5A、圖5B與圖6，由圖中標示的電壓可知，於4倍轉換模式中，開關Q12、Q13於不導通時的汲源極跨壓為10V（對應於2*V2），而其餘開關於不導通時的汲源極跨壓則皆為5V（對應於V2）。另一方面，於3倍轉換模式中，開關Q13於不導通時的汲源極跨壓為10V，而其餘開關於不導通時的汲源極跨壓則皆為5V。換言之，本發明的切換式電容轉換電路中的複數開關中，開關Q12、Q13於電源轉換操作中承受之電壓峰值為2*V2（對應於第一峰值電壓），而其餘開關於電源轉換操作中承受之電壓峰值僅為V2（對應於第二峰值電壓）。

因此，相較於前述的先前技術而言，本發明僅需較少數量的可耐高壓的開關（如Q12, Q13），因而可節省成本。就數量上而言，於4倍轉換模式中，本發明中的切換轉換單元所需耐高壓的開關的數量為2個開關，而切換轉換單元所需之開關總數量為8個開關，換言之，僅需總開關數量的1/4需具有較高的耐壓，所需的耐高壓開關的數量比例低於先前技術所需的1/2。

具體舉例而言，開關Q12、Q13的耐壓可配置為2*V2加上一安全範圍（對應於第一耐壓），而其餘開關的耐壓則可配置為V2加上一安全範圍（對應於第二耐壓）。在一實施例中，上述的峰值電壓與耐壓之大小具有以下之關係：第一耐壓＞第一峰值電壓＞第二耐壓＞第二峰值電壓。需說明的是，當操作的汲源極跨壓大於所述的耐壓時，開關將會有永久性的損壞。

本發明提供了一種具有不同轉換倍率的切換式電容轉換電路，可依照電源轉換方向、電池電壓與狀態等需求，而適應性的選擇轉換倍率，以進行切換性電容電源轉換，以例如對電池進行充電，或是轉換電池的電能而對外供電，且本發明的切換式電容轉換電路，僅需配置較少量之需耐高壓的開關，因此可大幅降低成本與尺寸。

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最廣的權利範圍。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。

100: N倍切換式電容轉換器 1100: 切換轉換單元 1211, 1212: 切換轉換單元 131, 132: 切換轉換單元 14, 150, 170, 190: 切換轉換單元 20: 電池 200: 充電系統 300, 400: 切換式電容轉換器 50: 控制電路 BST: 自舉電壓 C1, C2, C3: 電容器 CB1: 電容器 CFLY: 電容器 Co: 電容器 Da, Db: 本體二極體 DBT:二極體 dQ11~dQ18: 控制訊號 I1: 第一電流 I12: 輸出電流 I2: 第二電流 N1~N5: 節點 PH1: 第一時段 PH2: 第二時段 Q0: 開關 Q11~Q18: 開關 Q11a, Q11b: 電晶體 Rcn, Rwr: 寄生電阻 Ts: 切換週期 V1: 第一電壓 V2: 第二電壓 VBUS: 總線電源 VC1, VC2, VC3: 跨壓

圖1顯示一種先前技術之充電系統與其中之N倍切換式電容轉換器的電路方塊圖。

圖2顯示對應於圖1的效率特性曲線圖。

圖3顯示一種先前技術之N倍切換式電容轉換器的電路示意圖。

圖4顯示本發明之切換式電容轉換電路之一電路方塊圖。

圖6顯示根據本發明之切換式電容轉換電路的一實施例的操作波形圖。

圖7A與圖7B顯示根據本發明之切換式電容轉換電路中，切換轉換單元的具體實施例及其操作的示意圖。

圖8顯示根據本發明之切換式電容轉換電路的一實施例的操作波形圖。

圖9A與圖9B顯示根據本發明之切換式電容轉換電路中，切換轉換單元的具體實施例及其操作的示意圖。

圖10顯示根據本發明之切換式電容轉換電路的一實施例的操作波形圖。

圖11顯示根據本發明之切換式電容轉換電路中，切換轉換單元的具體實施例及其操作的示意圖。

150: 切換轉換單元 BST: 自舉電壓 C1, C2, C3: 電容器 CB1: 電容器 Co: 電容器 DBT:二極體 dQ11~dQ18: 控制訊號 I1: 第一電流 I2: 第二電流 N1~N5: 節點 Q11~Q18: 開關 V1: 第一電壓 V2: 第二電壓 VBUS: 總線電源 VC1, VC2, VC3: 跨壓

Claims

一種切換式電容轉換電路，用以將一第一電源轉換為一第二電源或將該第二電源轉換為該第一電源，該切換式電容轉換電路包含：至少一切換轉換單元；以及一控制電路，用以控制該切換轉換單元；該切換轉換單元包括：複數電容器，包括第一電容器、第二電容器以及第三電容器；以及複數開關，用以基於一切換週期而週期性地切換該複數電容器；其中於一4倍轉換模式下，於該切換週期中的一第一時段，該複數開關控制該第一電容器電連接於該第一電源與該第二電源之間，且控制該第二電容器與該第三電容器串聯而電連接於該第二電源與一接地電位之間；其中於該切換週期中的一第二時段，該複數開關控制該第一電容器與該第二電容器串聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間，且控制該第三電容器與該第二電源並聯而電連接；藉此週期性操作而進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換，使得於該4倍轉換模式下，該第一電源之一第一電壓與該第二電源之一第二電壓之比值為4，且該第二電源之一第二電流與該第一電源之一第一電流之比值為4。
如請求項1所述之切換式電容轉換電路，其中於該4倍轉換模式下，於一穩態時，該第一電容器之跨壓、該第二電容器之跨壓與該第三電容器的跨壓之比值為3:2:1。
如請求項1所述之切換式電容轉換電路，其中該複數開關包括第一至第八開關，該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關依序串聯耦接於該第一電源與該第二電源之間，且依序兩兩耦接於第一節點、第二節點與第三節點，該第五開關與該第六開關串聯於該第二電源與該接地電位之間且彼此耦接於第四節點，該第七開關與該第八開關串聯於該第二電源與該接地電位之間且彼此耦接於第五節點；其中該第一電容器耦接於該第一節點與該第四節點之間，該第二電容器耦接於該第二節點與該第五節點之間，該第三電容器耦接於該第三節點與該第四節點之間；其中於該4倍轉換模式下，於該第一時段，該第一開關、該第三開關、該第五開關與該第八開關導通，且該第二開關、該第四開關、該第六開關與該第七開關為不導通，以控制該第一電容器電連接於該第一電源與該第二電源之間，且控制該第二電容器與該第三電容器串聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間；其中於該第二時段，該第一至該第八開關的每一開關以反相於該第一時段之狀態而操作，以控制該第一電容器與該第二電容器串聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間，且控制該第三電容器與該第二電源並聯而電連接；藉此週期性操作而進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換。
如請求項3所述之切換式電容轉換電路，其中於一2倍轉換模式下，該第二開關與第三開關恆導通；其中於該2倍轉換模式下，於該切換週期的一第一時段，該第一開關、該第五開關與該第七開關導通，且該第四開關、該第六開關與該第八開關不導通，以控制該第一電容器、該第二電容器與該第三電容器並聯而電連接於該第一電源與該第二電源之間；其中於該切換週期的一第二時段，該第一開關與該第四至該第八開關的每一開關以反相於該第一時段之狀態而操作，以控制該第一電容器、該第二電容器與該第三電容器並聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間；藉此週期性操作而使得該第一電壓與該第二電壓之比值為2，且該第二電源之一第二電流與該第一電源之一第一電流之比值為2。
如請求項3所述之切換式電容轉換電路，其中於一3倍轉換模式下，於該切換週期的一第一時段，該第一開關、該第二開關、該第四開關、該第六開關與該第七開關導通，且該第三開關、該第五開關與該第八開關不導通，以控制該第一電容器電連接於該第一電源與該接地電位之間，該第二電容器與該第三電容器串聯而電連接於該第一電源與該第二電源之間；其中於該切換週期的一第二時段，該第一至該第八開關的每一開關以反相於該第一時段之狀態而操作，以控制該第一電容器的第一端浮接，該第一電容器的第二端電連接於該第二電源，該第二電容器與該第三電容器串聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間；藉此週期性操作而使得該第一電壓與該第二電壓之比值為3，且該第二電源之一第二電流與該第一電源之一第一電流之比值為3。
如請求項5所述之切換式電容轉換電路，其中該第一開關包括彼此串聯的一第一電晶體與一第二電晶體，其中該第一電晶體的本體二極體與該第二電晶體的本體二極體彼此反向。
如請求項3所述之切換式電容轉換電路，其中於一旁通模式下，該第一至第四開關導通，且該第五至第八開關不導通，使得該第一電源與第二電源彼此直接電連接。
如請求項3所述之切換式電容轉換電路，其中該至少一切換轉換單元包括第一切換轉換單元與第二切換轉換單元，並聯於該第一電源與該第二電源之間，該第一切換轉換單元與該第二切換轉換單元以交錯相位方式切換各自對應的該複數開關，而進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換。
如請求項3所述之切換式電容轉換電路，其中第一部分之該複數開關具有第一耐壓，且於電源轉換操作中承受之電壓峰值為第一峰值電壓，且另外第二部分之該複數開關具有第二耐壓，且於電源轉換操作中承受之電壓峰值為第二峰值電壓，其中該第一峰值電壓為該第二峰值電壓的2倍。
如請求項9所述之切換式電容轉換電路，其中該第一部分之該複數開關之數量少於該複數開關總數的1/2，且該第二部分之該複數開關之數量多於該複數開關總數的1/2。
如請求項9所述之切換式電容轉換電路，其中於該4倍轉換模式中，該第一部分之該複數開關包括該第二開關與該第三開關，該第二部分之該複數開關包括該第一開關與第四至第八開關。
如請求項9或請求項11中任一項所述之切換式電容轉換電路，其中該第一峰值電壓、該第二峰值電壓、該第一耐壓、第二耐壓之大小具有以下之關係：第一耐壓＞該第一峰值電壓＞第二耐壓＞該第二峰值電壓。
一種切換轉換單元，用以將一第一電源轉換為一第二電源或將該第二電源轉換為該第一電源，該切換轉換單元包含：複數電容器，包括第一電容器、第二電容器以及第三電容器；以及複數開關，用以基於一切換週期而週期性地切換該複數電容器；其中於一4倍轉換模式下，於該切換週期中的一第一時段，該複數開關控制該第一電容器電連接於該第一電源與該第二電源之間，且控制該第二電容器與該第三電容器串聯而電連接於該第二電源與一接地電位之間；其中於該切換週期中的一第二時段，該複數開關控制該第一電容器與該第二電容器串聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間，且控制該第三電容器與該第二電源並聯而電連接；藉此週期性操作而進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換，使得於該4倍轉換模式下，該第一電源之一第一電壓與該第二電源之一第二電壓之比值為4，且該第二電源之一第二電流與該第一電源之一第一電流之比值為4。
如請求項13所述之切換轉換單元，其中該複數開關包括第一至第八開關，該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關依序串聯耦接於該第一電源與該第二電源之間，且依序兩兩耦接於第一節點、第二節點與第三節點，該第五開關與該第六開關串聯於該第二電源與該接地電位之間且彼此耦接於第四節點，該第七開關與該第八開關串聯於該第二電源與該接地電位之間且彼此耦接於第五節點；其中該第一電容器耦接於該第一節點與該第四節點之間，該第二電容器耦接於該第二節點與該第五節點之間，該第三電容器耦接於該第三節點與該第四節點之間；其中於該4倍轉換模式下，於該第一時段，該第一開關、該第三開關、該第五開關與該第八開關導通，且該第二開關、該第四開關、該第六開關與該第七開關為不導通，以控制該第一電容器電連接於該第一電源與該第二電源之間，且控制該第二電容器與該第三電容器串聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間；其中於該第二時段，該第一至該第八開關的每一開關以反相於該第一時段之狀態而操作，以控制該第一電容器與該第二電容器串聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間，且控制該第三電容器與該第二電源並聯而電連接；藉此週期性操作而進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換。
如請求項14所述之切換轉換單元，其中於一2倍轉換模式下，該第二開關與第三開關恆導通；其中於該2倍轉換模式下，於該切換週期的一第一時段，該第一開關、該第五開關與該第七開關導通，且該第四開關、該第六開關與該第八開關不導通，以控制該第一電容器、該第二電容器與該第三電容器並聯而電連接於該第一電源與該第二電源之間；其中於該切換週期的一第二時段，該第一開關與該第四至該第八開關的每一開關以反相於該第一時段之狀態而操作，以控制該第一電容器、該第二電容器與該第三電容器並聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間；藉此週期性操作而使得該第一電壓與該第二電壓之比值為2，且該第二電源之一第二電流與該第一電源之一第一電流之比值為2。
如請求項14所述之切換轉換單元，其中於一3倍轉換模式下，於該切換週期的一第一時段，該第一開關、該第二開關、該第四開關、該第六開關與該第七開關導通，且該第三開關、該第五開關與該第八開關不導通，以控制該第一電容器電連接於該第一電源與該接地電位之間，該第二電容器與該第三電容器串聯而電連接於該第一電源與該第二電源之間；其中於該切換週期的一第二時段，該第一至該第八開關的每一開關以反相於該第一時段之狀態而操作，以控制該第一電容器的第一端浮接，該第一電容器的第二端電連接於該第二電源，該第二電容器與該第三電容器串聯而電連接於該第二電源與該接地電位之間；藉此週期性操作而使得該第一電壓與該第二電壓之比值為3，且該第二電源之一第二電流與該第一電源之一第一電流之比值為3。
如請求項16所述之切換轉換單元，其中該第一開關包括彼此串聯的一第一電晶體與一第二電晶體，其中該第一電晶體的本體二極體與該第二電晶體的本體二極體彼此反向。