TWI777559B

TWI777559B - 充電系統、供電系統及其中的雙模式電源轉換電路

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Publication number: TWI777559B
Application number: TW110117300A
Authority: TW
Inventors: 黃宗偉; 林水木
Original assignee: 立錡科技股份有限公司
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2021-05-13
Publication date: 2022-09-11
Also published as: TW202224326A; CN114598145A

Abstract

一種電源轉換電路，包括N階PWM電源轉換器以及電容切換電源轉換器。N階PWM電源轉換器包括與電容切換電源轉換器共用的複數共用開關，以及複數PWM開關，複數共用開關與複數PWM開關於N階PWM模式下，週期性地切換電感器與電容器，以N階PWM方式進行第一電源與第二電源之間的轉換。電容切換電源轉換器包括複數共用開關以及複數輔助開關，複數共用開關與複數輔助開關於電容轉換模式下，週期性地切換電容器，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。於電容轉換模式下，部分之複數PWM開關恆不導通，使得電感器一端為浮接。

Description

充電系統、供電系統及其中的雙模式電源轉換電路

本發明係有關於一種充電系統，特定而言係有關於一種同時具有N階PWM電源轉換器及電容切換電源轉換器的高效率充電系統。本發明也有關於一種用於高效率充電系統的電源轉換電路。

圖1顯示一種先前技術之充電系統100，其包括PWM（脈寬調變）電路120、電容增流電路130以及負載開關SP1~SP4，其中電源發送單元10發送直流電源VDC（可為定電壓或定電流），充電系統100例如可根據直流電源VDC與電池40的電壓關係與充電狀態，而決定選擇PWM電路120，以脈寬調變方式切換電感器L，而將直流電源VDC轉換為輸出電源VO以對電池40充電，或是選擇電容增流電路130，以電容分壓方式（對應於電流增流）切換電容器CF，而將直流電源VDC轉換為輸出電源VO以對電池40充電。

圖1之先前技術之充電系統100，其缺點在於需要兩組獨立的電源轉換電路（120, 130）與對應的多個負載開關（SP1~SP4），成本較高，且一般而言，PWM電路120多為2階PWM電源轉換器，其效率較差。

圖2顯示另一種先前技術之充電系統200，充電系統200於3階PWM模式下，藉由開關S1~S4切換電感器L與電容器CF，以3階PWM電源轉換方式進行電源轉換，且於電容式轉換模式中，藉由旁路開關SB將電感器L短路，藉由開關S1~S4切換電容器CF，電容分壓方式將輸入電流倍增。

圖2之先前技術之充電系統200，其缺點在於，於電容式轉換模式中，旁路開關SB的導通能損會隨著充電電流增大而提高，而降低了電源轉換的效率。

本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種雙模式電源轉換電路，具有彼此共用部分開關的N階PWM電源轉換器與電容切換電源轉換器，電源轉換電路可依據直流電源與充電電源之間的關係，而適應性地控制N階PWM電源轉換器與電容，組合於N階PWM模式，或者操作於電容轉換模式，藉此可藉由具有彈性的轉換方式而提高充電系統整體的電源轉換效率。

於一觀點中，本發明提供一種電源轉換電路，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，該電源轉換電路包含：一N階PWM電源轉換器，用以於一N階PWM模式下，切換一電感器與至少一電容器以進行該第一電源與該第二電源之間的轉換；以及一電容切換電源轉換器，用以於一電容轉換模式下，切換該電容器以進行該第一電源與該第二電源之間的轉換；其中該N階PWM電源轉換器包括：與該電容切換電源轉換器共用的複數共用開關；以及複數PWM開關，其中該複數共用開關與該複數PWM開關於該N階PWM模式下，週期性地切換該電感器與該電容器，以N階PWM方式進行該第一電源與該第二電源之間的轉換，其中N為大於等於3的整數；其中該電容切換電源轉換器包括：該複數共用開關；以及複數輔助開關，其中該複數共用開關與該複數輔助開關於該電容轉換模式下，週期性地切換該電容器，以電容式電源轉換方式，進行該第一電源與該第二電源之間的轉換；其中於該電容轉換模式下，至少部分之該複數PWM開關恆不導通，使得該電感器的一端為浮接。

於一實施例中，於該N階PWM模式下，該複數輔助開關恆不導通，使得該電容器恆不電連接於該第一電源或該第二電源的其中之一。

於一實施例中，該N階PWM電源轉換器包括：複數上橋開關，串聯耦接於該第一電源與一切換節點之間，其中該複數上橋開關依序相鄰耦接於對應的至少一上橋中間節點；以及複數下橋開關，串聯耦接於該切換節點與一接地電位之間，其中該複數下橋開關依序相鄰耦接於對應的至少一下橋中間節點；其中該電容切換電源轉換器包括：部分之該複數上橋開關；部分之該複數下橋開關，其中該部分之該複數上橋開關與該部分之該複數下橋開關對應於該複數共用開關；一上橋子輔助開關，其一第一端耦接於該第二電源，其一第二端耦接於對應的一該上橋中間節點；以及一下橋子輔助開關，其一第一端耦接於該第二電源，其一第二端耦接於對應的一該下橋中間節點；其中該上橋子輔助開關與該下橋子輔助開關對應於該輔助開關；其中該電感器耦接於該切換節點與該第二電源之間；其中該電容器之一第一端耦接於對應的一該上橋中間節點，該電容器之一第二端耦接於對應的一該下橋中間節點；其中於該N階PWM模式下，該複數上橋開關與該複數下橋開關週期性地切換該電容器而於該切換節點產生N階之電壓，藉此使該電感器以N階PWM方式，進行該第一電源與該第二電源之間的轉換；其中於該電容轉換模式下，該上橋子輔助開關、該下橋子輔助開關與該複數共用開關，週期性地切換該電容器，藉此使該電容器以電容分壓方式將該第一電源轉換為該第二電源，或以電荷泵方式將該第二電源轉換為該第一電源。

於一實施例中，於該N階PWM模式下，該上橋子輔助開關與該下橋子輔助開關為恆不導通，使得該電容器恆不電連接於該第二電源。

於一實施例中，於該電容轉換模式下，該複數上橋開關中，於該複數共用開關之外的至少另一為恆不導通，且該複數下橋開關中，於該複數共用開關之外的的至少另一為恆不導通，使得該電感器耦接於該切換節點的一端為浮接。

於一實施例中，於該N階PWM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例相關於該N階之電壓所對應之占空比。

於一實施例中，於該電容轉換模式下，第一電源之一第一電壓與該第二電源之一第二電壓之比例為M，其中M為大於1之實數。

於一實施例中，M等於N-1。

於一實施例中，該電源轉換電路用以將該第一電源轉換為該第二電源，其中於該電容轉換模式下，該第一電源之一第一電流為恆定，使得該第二電源之一第二電流為恆定且為該第一電流之M倍。

於一實施例中，於該電容轉換模式下，該複數共用開關的一上橋開關包括彼此並聯的複數上橋子共用開關，其中於一緩啟動期間，該複數上橋子共用開關根據一預設時序漸次切換導通；及/或該複數共用開關的一下橋開關包括彼此並聯的複數下橋子共用開關，其中於該緩啟動期間，該複數下橋子共用開關根據一預設時序漸次切換導通；藉此降低於該緩啟動期間的一湧浪電流。

於一實施例中，該複數上橋開關包括一第一上橋開關以及一第二上橋開關，依序串聯於該第一電源與該切換節點之間，其中該第一上橋開關與該第二上橋開關彼此耦接於一上橋中間節點；該複數下橋開關包括一第一下橋開關以及一第二下橋開關，依序串聯於該接地電位與該切換節點之間，其中該第一下橋開關與該第二下橋開關彼此耦接於一下橋中間節點；該第一上橋開關與該第一下橋開關對應於該複數共用開關；其中該上橋子輔助開關耦接於該第二電源與該上橋中間節點之間，該下橋子輔助開關耦接於該第二電源與該下橋中間節點之間；其中該電容器耦接於該上橋中間節點與該下橋中間節點之間。

於一實施例中，該電源轉換電路以一切換週期重複切換，其中N等於3，於對應的3階PWM模式下，於該切換週期的一第一時段，該第一上橋開關與該第二下橋開關導通，該第二上橋開關與該第一下橋開關不導通，且於該切換週期的一第二時段，該第一下橋開關與該第二下橋開關導通，該第一上橋開關與該第二上橋開關不導通，且於該切換週期的一第三時段，該第二上橋開關與該第一下橋開關導通，該第一上橋開關與該第二下橋開關不導通，於該切換週期的一第四時段，該第一上橋開關與該第二上橋開關導通，且該第一下橋開關與該第二下橋開關不導通，藉此該切換節點的電壓週期性地切換於該第一電壓、該接地電位以及該第一電壓的1/2之間；其中該上橋子輔助開關與該下橋子輔助開關恆不導通，使得該電容器恆不導通於該第二電源。

於一實施例中，該電源轉換電路以一切換週期重複切換，其中M等於2，於該電容轉換模式下，於該切換週期的一第一時段，該第一上橋開關與該下橋子輔助開關導通，該上橋子輔助開關與該第一下橋開關不導通，且於該切換週期的一第二時段，該上橋子輔助開關與該第一下橋開關導通，該第一上橋開關與該該下橋子輔助開關不導通，藉此該電容器的該第一端週期性地切換於該第一電壓與該第二電壓之間，且該電容器的該第二端週期性地切換於該第二電壓與該接地電位之間；其中該第二上橋開關與該第二下橋開關恆不導通，使得該電感器的一端為浮接。

於又一觀點中，本發明提供一種充電系統，包含：一電源發送單元，用以根據一輸入電源而產生一直流電源；以及一充電電路，與該電源發送單元以一可移除之方式連接，用以轉換該直流電源而產生一充電電源，以對一電池充電；其中該充電電路對應為請求項1~13中之任一項的該電源轉換電路；其中該第一電源對應於該直流電源，該第二電源對應於該充電電源，或者，其中該第二電源對應於該直流電源，該第一電源對應於該充電電源。

於又一觀點中，本發明提供一種供電系統，包含：一電池，用以提供一電能；以及一供電電路，與該電池耦接，用以轉換該電能而產生一供電電源，以供電予一負載；其中該供電電路對應為請求項1~13中之任一項的該電源轉換電路；其中該第一電源對應於該電能，該第二電源對應於該供電電源，或者，其中該第二電源對應於該電能，該第一電源對應於該供電電源。

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3顯示本發明之電源轉換電路之一具體實施例的示意圖（電源轉換電路300）。電源轉換電300用以將第一電源（對應於第一電壓V1、第一電流I1）轉換為第二電源，或者，將第二電源（對應於第二電壓V2、第二電流I2）轉換為第一電源，電源轉換電300包含3階PWM電源轉換器320以及電容切換電源轉換器330。

3階PWM電源轉換器320用以於3階PWM模式下，切換電感器L與至少一電容器（例如CF）以進行第一電源與第二電源之間的轉換。電容切換電源轉換器330則用以於電容轉換模式下，切換電容器CF以進行第一電源與第二電源之間的轉換。

本實施例中，3階PWM電源轉換器320包括複數上橋開關以及複數下橋開關。複數上橋開關包括第一上橋開關QU[1]以及第二上橋開關QU[2]，依序串聯於第一電源與切換節點LX之間，其中第一上橋開關QU[1]與第二上橋開關QU[2]彼此耦接於上橋中間節點NU[1]。複數下橋開關包括第一下橋開關QL[1]以及第二下橋開關QL[2]，依序串聯於接地電位與切換節點LX之間，其中第一下橋開關QL[1]與第二下橋開關QL[2]彼此耦接於下橋中間節點NL[1]。本實施例中，電感器L耦接於切換節點LX與第二電源之間。

另一方面，電容切換電源轉換器330包括第一上橋開關QU[1]、第一下橋開關QL[1]、上橋子輔助開關QUA與下橋子輔助開關QLA。換言之，3階PWM電源轉換器320與電容切換電源轉換器330共用第一上橋開關QU[1]、第一下橋開關QL[1]。本實施例中，上橋子輔助開關QUA耦接於第二電源與上橋中間節點NU[1]之間，下橋子輔助開關QLA耦接於第二電源與下橋中間節點NL[1]之間，而電容器CF耦接於上橋中間節點NU[1]與下橋中間節點NL[1]之間。上述的上橋開關、下橋開關以及輔助開關，分別受控制於對應的控制訊號SU[1]~SU[2]、SL[1] ~SL[2] 、SUA以及SLA。

請繼續參閱圖3，於3階PWM模式下，電源轉換電路300受控於控制訊號SU[1]~SU[2]以一切換週期重複切換，於切換週期的第一時段，第一上橋開關QU[1]與第二下橋開關QL[2]導通，第二上橋開關QU[2]與第一下橋開關QL[1]不導通，且於切換週期的第二時段，第一下橋開關QL[1]與第二下橋開關QL[2]導通，第一上橋開關QU[1]與第二上橋開關QU[2]不導通，且於切換週期的第三時段，第二上橋開關QU[2]與第一下橋開關QL[1]導通，第一上橋開關QU[1]與第二下橋開關QL[2]不導通，且於切換週期的第四時段，第一上橋開關QU[1]與第二上橋開關QU[2]導通，第一下橋開關QL[1]與第二下橋開關QL[2]不導通，藉此切換節點LX的電壓週期性地切換於第一電壓V1、接地電位以及第一電壓V1的1/2等3個不同的電壓位階之間，以達成3階PWM電源轉換。

需說明的是，於3階PWM模式下，第一電源之第一電壓V1與第二電源之第二電壓V2之比例相關於前述3階之電壓所對應之占空比。此外，上述切換週期的第一時段、第二時段、第三時段與第四時段，可依照實際的需求而安排其順序，上述於一切換週期內的切換順序並非用以限制本發明。此外還需說明的是，於3階PWM模式下，上橋子輔助開關QUA與下橋子輔助開關QLA恆不導通，使得電容器CF恆不電連接於第二電源。

請繼續參閱圖3，於電容轉換模式下，電源轉換電路300以一切換週期重複切換，於切換週期的第一時段，第一上橋開關QU[1]與下橋子輔助開關QLA導通，上橋子輔助開關QUA與第一下橋開關QL[1]不導通，且於切換週期的第二時段，上橋子輔助開關QUA與第一下橋開關QL[1]導通，第一上橋開關QU[1]與下橋子輔助開關QLA不導通，藉此電容器CF的第一端週期性地切換於第一電壓V1與第二電壓V2之間，且電容器CF的第二端週期性地切換於第二電壓V2與接地電位之間，使得第一電壓V1與第二電壓V2之比例為2，同時，第二電流I2與第一電流I1之比例亦為2。上述於電容轉換模式下的切換週期與3階PWM模式下的切換週期可為相同或不相同。

需說明的是，於電容轉換模式下，第二上橋開關QU[2]與第二下橋開關QL[2]恆不導通，藉此使得切換節點LX為開路，亦即，使得電感器L耦接於切換節點LX之一端為浮接。

圖4A顯示本發明之充電系統之一具體實施例的示意圖（充電系統1004A）。充電系統1004A包含電源發送單元10以及電源轉換電路300，電源發送單元10用以根據輸入電源（如VIN）而產生第一電源，在一實施例中，第一電源為一直流電源。

在一實施例中，電源發送單元10可為例如行動適配器等交流-直流轉換電路，在此情況下，輸入電源VIN為交流電。在另一實施例中，電源發送單元10亦可為例如行動電源等直流-直流轉換電路，在此情況下，輸入電源VIN例如可為另一電池所提供之直流電。在一實施例中，電源發送單元10例如可符合USB PD規範，可根據需求而輸出可調整的定電壓或定電流形式的第一電源。

電源轉換電路300與電源發送單元10以一可移除之方式連接，例如通過連接器與電纜線連接，電源轉換電路300用以轉換第一電源而產生充電電源，以對電池40充電，本實施例中，所述的充電電源對應於如圖的第二電源（即第二電壓V2對應於充電電壓、第二電流I2對應於充電電流）。換言之，本實施例中，電源轉換電路300於3階PWM模式下進行降壓操作，或者，於電容轉換模式下進行電容性分壓（對應於電流增流）操作。在一實施例中，電源發送單元10所產生的第一電流I1為恆定，使得第二電流I2亦為恆定，且第二電流I2為第一電流I1之2倍（即，電流增流）。

圖4B顯示本發明之充電系統之另一具體實施例的示意圖（充電系統1004B）。充電系統1004B與充電系統1004A相似，其不同之處在於，充電系統1004B中，第二電源對應於直流電源，第一電源對應於充電電源，換言之，本實施例中，電源轉換電路300於3階PWM模式下進行升壓操作，或者，於電容轉換模式下進行電荷泵（對應於電流降流）操作，用以產生第一電源，而對電池40充電。在一實施例中，電源發送單元10所產生的第二電流I2為恆定，使得第一電流I1亦為恆定，且為第二電流I2之1/2倍（即，電流降流）。在一實施例中，電源發送單元10所產生的第二電壓V2為恆定，使得第一電壓V1亦為恆定，且第一電壓V1為第二電壓V2之2倍（即，電壓升壓）。

圖4C顯示本發明之供電系統之一具體實施例的示意圖（供電系統1004C）。供電系統1004C與充電系統1004B相似，本實施例中，電池40用以提供第二電源，亦即，電池電壓對應於第二電壓V2，而電池電流對應於第二電流I2，電源轉換電路300於3階PWM模式下進行升壓操作，或者，於電容轉換模式下進行電荷泵（對應於電流降流）操作，用以轉換電池40所提供的第二電源而產生第一電源，供電予負載50。供電系統1004C例如對應於USB OTG規範之電池供電系統。在一實施例中，電池40所產生的第二電壓V2為恆定，使得第一電壓V1亦為恆定，且第一電壓V1為第二電壓V2之2倍（即，電壓升壓）。

圖5顯示對應於充電系統的一實施例（例如1004A）的充電曲線圖，其中細實線為直流電流（對應於第一電流I1），虛線為充電電流（對應於第二電流I2），粗實線為電池電壓（對應於第二電壓V2）。本發明的電源轉換電路（如300）可支援電池充電時各個階段的需求，如圖5所示，於預充電階段（t1~t2），電源轉換電路300可操作於3階PWM模式以輸出較低的恆定充電電流（例如小於3A），對電池40充電。

於恆定電流充電階段（t2~t4），電源轉換電路300可操作於電容轉換模式，以較大的充電電流（電流介於例如3A~8A）對電池40充電，具體而言，本實施例中，例如以輸出2倍於直流電流（I1）的恆定充電電流（I2），對電池40充電。需說明的是，在此期間，在一實施例中，由電源發送單元10所提供的直流電流（I1）可以隨著電池電壓（V2）到達一目標電壓VT而適應性逐步降低。

於終止充電階段期間（t4~t5），電源轉換電路300可操作於3階PWM模式以輸出接近於例如目標電壓VT的恆定充電電壓（V2），對電池40充電。

圖6顯示根據本發明之電源轉換電路之一實施例的效率曲線圖，具體而言，本實施例對應於例如圖4的實施例（實線）與圖2的先前技術（虛線）之效率之比較，如圖所示，由於圖2之先前技術，需以旁路開關SB將電感器L短路，以進行電容式轉換模式之操作，然而，旁路開關SB的導通能損會隨著充電電流（即負載）增大而提高，因而在電流較高的情況下，會降低電源轉換的效率，相較而言，本發明由於在電容式轉換模式中，無需旁路開關SB，而是控制電感器L的一端為浮接，因而特別是在電流較高的情況下，本發明的充電系統與電源轉換電路，可具有更高的電源轉換的效率。

圖7顯示本發明之電源轉換電路之另一具體實施例的示意圖（電源轉換電路700）。電源轉換電路700包括4階PWM電源轉換器720以及電容切換電源轉換器730。電源轉換電路700與前述的電源轉換電路300相似，其差別在於， 4階PWM電源轉換器720與電容切換電源轉換器730包括了更多的上橋開關以及下橋開關（即，QU[3]與QL[3]），可用以切換2個電容器CF[1]與CF[2]，在一實施例中，可藉此達成4階PWM電源轉換以及3倍電壓或3倍電流的電容式電源轉換操作。

具體而言，本實施例中，4階PWM電源轉換器720與電容切換電源轉換器730共用了上橋開關QU[1]~QU[2]以及下橋開關QL[1]～QL[2]，且上橋子輔助開關QUA耦接於第二電源與上橋中間節點NU[2]之間，而下橋子輔助開關QLA耦接於第二電源與下橋中間節點NL[2]之間，電容器CF[1]耦接於上橋中間節點NU[1]與下橋中間節點NL[1]之間，電容器CF[2]則耦接於上橋中間節點NU[2]與下橋中間節點NL[2]之間。上述的上橋開關、下橋開關以及輔助開關，分別受控制於對應的控制訊號SU[1]~SU[3]、SL[1] ~SL[3] 、SUA以及SLA。

在一實施例中，於4階PWM模式下，切換節點LX的電壓週期性地切換於第一電壓V1、接地電位、第一電壓V1的2/3與第一電壓V1的2/3等4個不同的電壓位階之間，以達成4階PWM電源轉換。且於電容轉換模式下，可通過電容分壓或電荷泵之方式，切換前述之共用開關與子輔助開關，以達成3倍電壓或3倍電流的電容式電源轉換操作，在一實施例中，於週期性地切換穩態之下，電容器CF[1]的跨壓為第一電壓V1的2/3，而電容器CF[2]的跨壓為第一電壓V1的1/3。

與前述實施例相似地，於4階PWM模式下，上橋子輔助開關QUA與下橋子輔助開關QLA恆不導通，使得電容器CF[1]與CF[2]恆不電連接於第二電源，且於電容轉換模式下，第三上橋開關QU[3]與第三下橋開關QL[3]恆不導通，藉此使得切換節點LX為開路，亦即，使得電感器L耦接於切換節點LX之一端為浮接。

圖8顯示本發明之電源轉換電路之又一具體實施例的示意圖（電源轉換電路800）。根據前述的數個實施例，本發明可推衍至更廣泛的應用，電源轉換電路800包括N階PWM電源轉換器820以及電容切換電源轉換器830。N階PWM電源轉換器820包括複數上橋開關QU[1]~QU[N-1]，彼此串聯耦接於第一電源與切換節點LX之間，其中複數上橋開關QU[1]~QU[N-1]依序相鄰耦接於對應的上橋中間節點NU[1]~NU[N-2]。

複數下橋開關QL[1]~QL[N-1]，串聯耦接於切換節點LX與接地電位之間，其中複數下橋開關QL[1]~QL[N-1]依序相鄰耦接於對應的下橋中間節點NL[1]~NL[N-2]。

電容切換電源轉換器830則包括與N階PWM電源轉換器820共用的上橋開關QU[1]~ QU[N-2] 與下橋開關QL[1]-QL[N-2] 、上橋子輔助開關QUA以及下橋子輔助開關QLA。上橋子輔助開關QUA之第一端耦接於第二電源，而其第二端耦接於對應的上橋中間節點NU[N-2]。下橋子輔助開關QLA之第一端耦接於第二電源，而其第二端耦接於對應的下橋中間節點NL[N-2]。

請繼續參閱圖8，電感器L耦接於切換節點LX與第二電源之間，電容器CF[1]~CF[N-2]各自之第一端分別耦接於對應的上橋中間節點NU[1]~NU[N-2]，電容器CF[1]~CF[N-2] 各自之第二端分別耦接於對應的下橋中間節點NL[1]~NL[N-2]。

於N階PWM模式下，複數上橋開關QU[1]~QU[N-1]與複數下橋開關QL[1]~QL[N-1]週期性地切換電容器CF而於切換節點LX產生N階之電壓，藉此使電感器L以N階PWM方式，進行第一電源與第二電源之間的轉換；其中所述的N階電壓包括第一電壓V1與接地電位、以及介於第一電壓V1與接地電位之間的N-2個電壓。其中N為大於等於3的整數。

其中於電容轉換模式下，上橋子輔助開關QUA、上橋開關QU[1]-QU[N-2]、下橋子輔助開關QLA與下橋開關QL[1]-QL[N-2]，週期性地切換電容器CF[1]~CF[N-2]的耦接關係，藉此使電容器CF CF[1]~CF[N-2]以電容分壓方式將第一電源轉換為第二電源，或以電荷泵方式將第二電源轉換為第一電源。

在一實施例中，於電容轉換模式下，第一電源之第一電壓V1與第二電源之第二電壓V2之比例為M，其中M為大於1之實數。在一較佳實施例中，M為大於1之正整數。

與前述實施例相似地，在一實施例中，於N階PWM模式下，上橋子輔助開關QUA與下橋子輔助開關QLA為恆不導通，使得電容器CF恆不電連接於第二電源，另一方面，於電容轉換模式下，上橋開關QU[N-1]與下橋開關QL[N-1]恆不導通，藉此使得切換節點LX為開路，亦即，使得電感器L耦接於切換節點LX之一端為浮接。

需說明的是，在其他實施例中，上述的上橋子輔助開關QUA之第二端可耦接於對應的其他上橋中間節點NU[i]，其中i為介於1~N-2的整數。而下橋子輔助開關QLA之第二端可耦接於對應的其他上橋中間節點NL[i]。藉此，可選地，可以在電容轉換模式下，以較少的電容器進行電容式的電源轉換。換言之，在此情況下，N階PWM電源轉換器820以及電容切換電源轉換器830所共用的上橋開關和下橋開關的數量會對應地降低。就一觀點而言，於電容轉換模式下，前述共用的上橋開關之外的上橋開關中的至少另一為恆不電連接，且前述共用的下橋開關之外的下橋開關中的至少另一為恆不電連接，使得電感器L耦接於切換節點LX的一端為浮接。

圖9A顯示本發明之電源轉換電路之一實施例的方塊圖。根據本發明，可將前述如圖3、圖7與圖8的實施例推衍至如圖9A所示，更為廣泛性的電源轉換電路的實施例。

如圖9A所示，電源轉換電900用以將第一電源轉換為第二電源或將第二電源轉換為第一電源，電源轉換電900包含N階PWM電源轉換器920以及電容切換電源轉換器930。

N階PWM電源轉換器920用以於N階PWM模式下，切換電感器L與至少一電容器（例如CF）以進行第一電源與第二電源之間的轉換。電容切換電源轉換器930則用以於電容轉換模式下，切換電容器CF以進行第一電源與第二電源之間的轉換。

在一實施例中，N階PWM電源轉換器920包括與電容切換電源轉換器930共用的複數共用開關QC以及複數PWM開關QP，其中於N階PWM模式下，複數共用開關QC與複數PWM開關QP週期性地切換電感器L與電容器CF，以N階PWM方式進行第一電源與第二電源之間的轉換，其中N為大於等於3的整數。

在一實施例中，電容切換電源轉換器930包括前述的複數共用開關QC以及複數輔助開關QA，其中於電容轉換模式下，複數共用開關QC與複數輔助開關QA週期性地切換電容器CF，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。

圖9A所示的共用開關QC例如可對應於圖3的上橋開關QU[1]與下橋開關QL[1]，或是對應於圖7的上橋開關QU[1]~QU[2]與下橋開關QL[1]~QL[2]，或是對應於圖8的上橋開關QU[1]~QU[N-2]與下橋開關QL[1]~QL[N-2]。上述做為共用開關的上橋開關可對應為上橋子共用開關，而上述做為共用開關的下橋開關可對應為下橋子共用開關。

此外，圖9A所示的PWM開關QP例如可對應於圖3的上橋開關QU[2]與下橋開關QL[2]，或是對應於圖7的上橋開關QU[3]與下橋開關QL[3]，或是對應於圖8的上橋開關QU[N-1]與下橋開關QL[N-1]，換言之，PWM開關QP對應於N階PWM電源轉換器920中的非共用開關。

再者，圖9A所示的輔助開關QA例如可對應於圖3、圖7與圖8的上橋子輔助開關QUA與下橋子輔助開關QLA。

在一實施例中，於電容轉換模式下，第一電源之第一電壓V1與第二電源之第二電壓V2之比例為M，在一實施例中，藉由適當的電容器與開關的配置， M為大於1之實數。在一實施例中，M為大於1之整數。

圖9B顯示本發明之充電系統之一具體實施例的示意圖。與圖4之實施例相似，本實施例中，電源發送電路10用以產生第一電源，電源轉換電900用以將第一電源轉換為第二電源，在一實施例中，電源發送電路10控制第一電源之第一電流I1為恆定，其中於電容轉換模式下，電源轉換電900所產生的第二電源之第二電流I2亦為恆定，且為第一電流I1之M倍。

在一實施例中，於電容轉換模式下，至少部分之PWM開關QP（可參照例如前述實施例的對應）恆不導通，使得電感器L的一端為浮接。

在一實施例中，於N階PWM模式下，複數輔助開關QA（例如對應於圖3、圖7與圖8的上橋子輔助開關QUA與下橋子輔助開關QLA）恆不導通，使得電容器CF恆不電連接於第二電源。

在一實施例中，N階PWM模式下，第一電源之第一電壓V1與第二電源之第二電壓V2之比例相關於N階之電壓所對應之占空比。在一實施例中， N階電壓例如包括第一電壓V1與接地電位、以及介於第一電壓V1與接地電位之間的N-2個電壓。

在一實施例中，M為整數，且M等於N-1。

圖10顯示本發明之電源轉換電路之另一具體實施例的示意圖。圖11顯示根據本發明之充電系統1010的一實施例的操作波形圖。圖10中的電源轉換電路1000與圖3的電源轉換電路300相似，其差別在於，在一實施例中，電源轉換電路1000中的上橋開關QU[1] （上橋子共用開關）包括彼此並聯的複數上橋子共用開關QU[1, 1], QU[1, 2]…QU[1, k]，在一實施例中，電源轉換電路1000中的下橋開關QL[1] （下橋子共用開關）包括彼此並聯的複數下橋子共用開關QL[1, 1], QL[1, 2]…QL[1, k]。其中k為大於1的整數。

藉由上述的配置，在一實施例中，在電容轉換模式下，於一緩啟動期間，複數上橋子共用開關QU[1, 1], QU[1, 2]…QU[1, k]根據一預設時序漸次切換導通；及/或複數下橋子共用開關QL[1, 1], QL[1, 2]… QL[1, k]根據一預設時序漸次切換導通，藉此降低於緩啟動期間的湧浪電流。上述的預設時序例如可為圖11所示的緩啟動時序操作波形圖，本實施例對應於將第二電源轉換為第一電源，如圖11所示，在電容器CF的跨壓VF與其穩態電壓相差較大時，例如於緩啟動期間，以較少數量的上橋子共用開關導通及/或以較少數量的下橋子共用開關切換導通而進行3階PWM電源轉換或電容式電源轉換，皆可有效降低湧浪電流。

具體而言，以圖11為例，本實施例中，電源轉換電路1000係用以轉換第二電源而產生第一電源，亦即，電源轉換電路1000於3階PWM電源轉換模式進行升壓操作，或是於電容轉換模式下進行電荷泵操作，在一實施例中，前述的複數上橋子共用開關QU[1, 1], QU[1, 2]…QU[1, k] 及/或複數下橋子共用開關QL[1, 1], QL[1, 2]…QL[1, k]依圖11中的時段T1、T2~Tk而漸次增加切換導通的數量，藉此有效降低了輸入電流的湧浪電流（對應於第二電流I2）。具體而言，在例如時段T1中且時段T2上位開始時，僅上橋子共用開關QU[1, 1] 及/或複數下橋子共用開關QL[1, 1] 參與3階PWM之切換（即所述的切換導通），其餘之上橋子共用開關及下橋子共用開關QU[1, 2]…QU[1, k], QL[1, 2]…QL[1, k]皆恆不導通，直至對應的時段開始，才參與3階PWM之切換。

此外，當電源轉換電路1000於3階PWM模式下進行降壓操作，或是於電容轉換模式下進行電容性分壓（對應於電流增流）操作時，亦可採用上述相似的緩啟動操作。具體而言，在上述的上橋子共用開關QU[1, 1], QU[1, 2]…QU[1, k]彼此為相同導通電阻情況下，湧浪電流dVQU[1]/( R_Q[1]*k/j)，其中dVQU[1]為QU[1]例如汲源極間的跨壓，R_Q[1]則為上橋子共用開關QU[1, 1], QU[1, 2]…QU[1, k]（對應於QU[1]）全部導通時的等效電阻，j為上橋子共用開關QU[1, 1], QU[1, 2]…QU[1, k]同時導通的數量。

圖12為對應於圖10之實施例的效率曲線圖。由於總轉換能損包括了導通能損以及切換能損，如圖12所示，以較少數量的上橋子共用開關導通（例如僅一半的上橋子共用開關導通）及/或以較少數量的下橋子共用開關導通（例如僅一半的下橋子共用開關導通）而進行3階PWM電源轉換時（實線），在較低電流的情況下，由於切換能損較小，而導通能損之佔比亦較低，因此，在較低電流的情況下，本實施例可以較一般的3階PWM轉換（虛線）具有更高的效率。

需說明的是，上述將QU[1]或QL[1]拆分成k的子共用開關僅為舉例，在其他實施中，亦可對QU[2]~QU[N-1]或QL[2]~QL[N-1]之任一依照實際需求而進行類似的拆分。

就一觀點而言，對應於前述的上橋開關QU[1]之導通，在上述的配置下，係指複數上橋子共用開關QU[1, 1], QU[1, 2]…QU[1, k]之至少之一為導通，而對應於前述的上橋開關QU[1]之不導通，係指複數上橋子共用開關QU[1, 1], QU[1, 2]…QU[1, k]全部不導通。下橋開關可類推。具體以圖11為例，於時段T1或時段T2內，上橋開關Q[1]~Q[N-1]仍依前述實施例週期性切換電容器CF及/或電感器L，惟於時段T1內，當上橋開關Q[1]需導通時，僅導通上橋子共用開關QU[1, 1]（對應為前述的切換導通），而於時段T2內，當上橋開關Q[1]需導通時，導通上橋子共用開關QU[1, 1]與QU[1, 2]，依此類推。

本發明提供了一種由具有共用開關的N階PWM電源轉換器與電容切換電源轉換器配置而成的電源轉換電路以及充電系統，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N階PWM電源轉換器與電容切換電源轉換器之操作模式的組合，以最大功率或高效率之模式，進行電源轉換，以對電池進行充電，或是轉換電池的電能而對外供電。

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。

10: 電源發送單元 100, 200, 1004A, 1004B, 1010: 充電系統 1004C: 供電系統 120: PWM電路 130: 電容增流電路 300, 700, 800, 900, 1000: 電源轉換電路 320: 3階PWM電源轉換器 330: 電容切換電源轉換器 40: 電池 50: 負載 720: 4階PWM電源轉換器 730: 電容切換電源轉換器 820, 920: N階PWM電源轉換器 830, 930: 電容切換電源轉換器 CF: 電容器 CF[1]~CF[N-2]: 電容器 I1: 第一電流 I2: 第二電流 L: 電感器 LX: 切換節點 NU[1]~NU[N-2]: 上橋中間節點 NL[1]~NL[N-2]: 下橋中間節點 QA: 輔助開關 QC: 共用開關 QP: PWM開關 QL[1]~QL[N-1]: 下橋開關 QL[1, 1]~QL[1, k]: 下橋子共用開關 QLA: 下橋子輔助開關 QU[1]~QU[N-1]: 上橋開關 QU[1, 1]~QU[1, k]: 上橋子共用開關 QUA: 上橋子輔助開關 S1~S4: 開關 SB: 旁路開關 SP1~SP4: 負載開關 T1~Tk: 時段 V1: 第一電壓 V2: 第二電壓 VDC: 直流電源 VIN: 輸入電源 VF: 跨壓 VO: 輸出電源 VT: 目標電壓

圖1顯示一種先前技術之充電系統的電路方塊圖。

圖2顯示一種先前技術之充電系統的電路示意圖。

圖3顯示本發明之電源轉換電路之一具體實施例的示意圖。

圖4A~圖4C顯示本發明之充電系統之數個具體實施例的示意圖。

圖5顯示根據本發明之充電系統的一實施例的充電曲線圖。

圖6顯示根據本發明之電源轉換電路之一實施例的效率曲線圖。

圖7顯示本發明之電源轉換電路之另一具體實施例的示意圖。

圖8顯示本發明之電源轉換電路之又一具體實施例的示意圖。

圖9A顯示本發明之電源轉換電路之一實施例的方塊圖。

圖9B顯示本發明之充電系統之一具體實施例的示意圖。

圖10顯示本發明之電源轉換電路之另一具體實施例的示意圖。

圖11顯示根據本發明之充電系統的一實施例的操作波形圖。

圖12顯示根據本發明之電源轉換電路之一實施例的效率曲線圖。

300: 電源轉換電路 320: 3階PWM電源轉換器 330: 電容切換電源轉換器 CF: 電容器 I1: 第一電流 I2: 第二電流 L: 電感器 LX: 切換節點 NU[1]: 上橋中間節點 NL[1]: 下橋中間節點 QL[1]~QL[2]: 下橋開關 QLA: 下橋子輔助開關 QU[1]~QU[2]: 上橋開關 QUA: 上橋子輔助開關 V1: 第一電壓 V2: 第二電壓 VF: 跨壓

Claims

一種電源轉換電路，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，該電源轉換電路包含：一N階PWM電源轉換器，用以於一N階PWM模式下，切換一電感器與至少一電容器以進行該第一電源與該第二電源之間的轉換；以及一電容切換電源轉換器，用以於一電容轉換模式下，切換該電容器以進行該第一電源與該第二電源之間的轉換；其中該N階PWM電源轉換器包括：與該電容切換電源轉換器共用的複數共用開關；以及複數PWM開關，其中該複數共用開關與該複數PWM開關於該N階PWM模式下，週期性地切換該電感器與該電容器，以N階PWM方式進行該第一電源與該第二電源之間的轉換，其中N為大於等於3的整數；其中該電容切換電源轉換器包括：該複數共用開關；以及複數輔助開關，其中該複數共用開關與該複數輔助開關於該電容轉換模式下，週期性地切換該電容器，以電容式電源轉換方式，進行該第一電源與該第二電源之間的轉換；其中於該電容轉換模式下，至少部分之該複數PWM開關恆不導通，使得該電感器的一端為浮接。
如請求項1所述之電源轉換電路，其中於該N階PWM模式下，該複數輔助開關恆不導通，使得該電容器恆不導通於該第一電源或該第二電源的其中之一。
如請求項2所述之電源轉換電路，其中該N階PWM電源轉換器包括：複數上橋開關，串聯耦接於該第一電源與一切換節點之間，其中該複數上橋開關依序相鄰耦接於對應的至少一上橋中間節點；以及複數下橋開關，串聯耦接於該切換節點與一接地電位之間，其中該複數下橋開關依序相鄰耦接於對應的至少一下橋中間節點；其中該電容切換電源轉換器包括：部分之該複數上橋開關；部分之該複數下橋開關，其中該部分之該複數上橋開關與該部分之該複數下橋開關對應於該複數共用開關；一上橋子輔助開關，其一第一端耦接於該第二電源，其一第二端耦接於對應的一該上橋中間節點；以及一下橋子輔助開關，其一第一端耦接於該第二電源，其一第二端耦接於對應的一該下橋中間節點；其中該上橋子輔助開關與該下橋子輔助開關對應於該輔助開關；其中該電感器耦接於該切換節點與該第二電源之間；其中該電容器之一第一端耦接於對應的一該上橋中間節點，該電容器之一第二端耦接於對應的一該下橋中間節點；其中於該N階PWM模式下，該複數上橋開關與該複數下橋開關週期性地切換該電容器而於該切換節點產生N階之電壓，藉此使該電感器以N階PWM方式，進行該第一電源與該第二電源之間的轉換；其中於該電容轉換模式下，該上橋子輔助開關、該下橋子輔助開關與該複數共用開關，週期性地切換該電容器，藉此使該電容器以電容分壓方式將該第一電源轉換為該第二電源，或以電荷泵方式將該第二電源轉換為該第一電源。
如請求項3所述之電源轉換電路，其中於該N階PWM模式下，該上橋子輔助開關與該下橋子輔助開關為恆不導通，使得該電容器恆不電連接於該第二電源。
如請求項3所述之電源轉換電路，其中於該電容轉換模式下，該複數上橋開關中，於該複數共用開關之外的至少另一為恆不導通，且該複數下橋開關中，於該複數共用開關之外的的至少另一為恆不導通，使得該電感器耦接於該切換節點的一端為浮接。
如請求項1所述之電源轉換電路，其中於該N階PWM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例相關於該N階之電壓所對應之占空比。
如請求項3所述之電源轉換電路，其中於該電容轉換模式下，第一電源之一第一電壓與該第二電源之一第二電壓之比例為M，其中M為大於1之實數。
如請求項7所述之電源轉換電路，其中M等於N-1。
如請求項7所述之電源轉換電路，該電源轉換電路用以將該第一電源轉換為該第二電源，其中於該電容轉換模式下，該第一電源之一第一電流為恆定，使得該第二電源之一第二電流為恆定且為該第一電流之M倍。
如請求項7所述之電源轉換電路，其中於該電容轉換模式下，該複數共用開關的一上橋開關包括彼此並聯的複數上橋子共用開關，其中於一緩啟動期間，該複數上橋子共用開關根據一預設時序漸次切換導通；及/或該複數共用開關的一下橋開關包括彼此並聯的複數下橋子共用開關，其中於該緩啟動期間，該複數下橋子共用開關根據一預設時序漸次切換導通；藉此降低於該緩啟動期間的一湧浪電流。
如請求項7所述之電源轉換電路，其中該複數上橋開關包括一第一上橋開關以及一第二上橋開關，依序串聯於該第一電源與該切換節點之間，其中該第一上橋開關與該第二上橋開關彼此耦接於一上橋中間節點；該複數下橋開關包括一第一下橋開關以及一第二下橋開關，依序串聯於該接地電位與該切換節點之間，其中該第一下橋開關與該第二下橋開關彼此耦接於一下橋中間節點；該第一上橋開關與該第一下橋開關對應於該複數共用開關；其中該上橋子輔助開關耦接於該第二電源與該上橋中間節點之間，該下橋子輔助開關耦接於該第二電源與該下橋中間節點之間；其中該電容器耦接於該上橋中間節點與該下橋中間節點之間。
如請求項11所述之電源轉換電路，其中該電源轉換電路以一切換週期重複切換，其中N等於3，於對應的3階PWM模式下，於該切換週期的一第一時段，該第一上橋開關與該第二下橋開關導通，該第二上橋開關與該第一下橋開關不導通，且於該切換週期的一第二時段，該第一下橋開關與該第二下橋開關導通，該第一上橋開關與該第二上橋開關不導通，且於該切換週期的一第三時段，該第二上橋開關與該第一下橋開關導通，該第一上橋開關與該第二下橋開關不導通，於該切換週期的一第四時段，該第一上橋開關與該第二上橋開關導通，且該第一下橋開關與該第二下橋開關不導通，藉此該切換節點的電壓週期性地切換於該第一電壓、該接地電位以及該第一電壓的1/2之間；其中該上橋子輔助開關與該下橋子輔助開關恆不導通，使得該電容器恆不電連接於該第二電源。
如請求項11所述之電源轉換電路，其中該電源轉換電路以一切換週期重複切換，其中M等於2，於該電容轉換模式下，於該切換週期的一第一時段，該第一上橋開關與該下橋子輔助開關導通，該上橋子輔助開關與該第一下橋開關不導通，且於該切換週期的一第二時段，該上橋子輔助開關與該第一下橋開關導通，該第一上橋開關與該該下橋子輔助開關不導通，藉此該電容器的該第一端週期性地切換於該第一電壓與該第二電壓之間，且該電容器的該第二端週期性地切換於該第二電壓與該接地電位之間；其中該第二上橋開關與該第二下橋開關恆不導通，使得該電感器的一端為浮接。
一種充電系統，包含：一電源發送單元，用以根據一輸入電源而產生一直流電源；以及一充電電路，與該電源發送單元以一可移除之方式連接，用以轉換該直流電源而產生一充電電源，以對一電池充電；其中該充電電路對應為請求項1~13中之任一項的該電源轉換電路；其中該第一電源對應於該直流電源，該第二電源對應於該充電電源，或者，其中該第二電源對應於該直流電源，該第一電源對應於該充電電源。
一種供電系統，包含：一電池，用以提供一電能；以及一供電電路，與該電池耦接，用以轉換該電能而產生一供電電源，以供電予一負載；其中該供電電路對應為請求項1~13中之任一項的該電源轉換電路；其中該第一電源對應於該電能，該第二電源對應於該供電電源，或者，其中該第二電源對應於該電能，該第一電源對應於該供電電源。