TWI818551B - 切換電容式電壓轉換電路及切換電容式電壓轉換方法 - Google Patents

切換電容式電壓轉換電路及切換電容式電壓轉換方法 Download PDF

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Abstract

一種切換電容式電壓轉換電路包括：切換電容轉換器及控制電路；控制電路調整第一及/或第二操作訊號之操作頻率及/或占空比，而將第一與第二電壓間之比例調節於預設比例；當控制電路調降第一及/或第二操作訊號之占空比時，於第一及/或第二程序中，若切換電容轉換器之部分複數開關導通，則朝第二電壓流動之電感電流處於第一狀態，若流經對應之電感之電感電流係經由至少一電流續流路徑而續流，進而使朝第二電壓流動之電感電流處於第二狀態，使得對應之電感在第一與第二狀態之間進行電感式電源轉換切換。

Description

切換電容式電壓轉換電路及切換電容式電壓轉換方法
本發明係有關於一種切換電容式電壓轉換電路，特定而言係有關於一種能夠調整輸入電壓與輸出電壓之比例之切換電容式電壓轉換電路及切換電容式電壓轉換方法。
圖1係顯示一習知降壓轉換電路10。此習知降壓轉換電路10之電感L須承受輸入電壓等級之電壓應力，使得其需要較大尺寸之電感及較高之電感值。一般而言，較高的切換頻率能夠使得轉換電路具有較小尺寸之電感。然而，切換功率損耗亦會隨著高切換頻率及對開關而言的高輸入電壓而明顯地增加。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種創新的切換電容式電壓轉換電路。
於一觀點中，本發明提供一種切換電容式電壓轉換電路，用以將一第一電壓轉換為一第二電壓或將該第二電壓轉換為該第一電壓，該切換電容式電壓轉換電路包括：一切換電容轉換器，耦接於該第一電壓與該第二電壓之間；以及一控制電路，用以產生一控制訊號以控制該切換電容轉換器，而將該第一電壓轉換為該第二電壓或將該第二電壓轉換為該第一電壓；其中該切換電容轉換器包括：至少一諧振電容；複數開關，與該至少一諧振電容耦接；以及至少一電感；其中，該控制電路用以產生該控制訊號，該控制訊號包括一第一操作訊號與一第二操作訊號，其中該第一操作訊號用以操作該複數開關之複數第一開關，且該第二操作訊號用以操作該複數開關之複數第二開關；其中，在一第一程序中，藉由該第一操作訊號控制該複數第一開關的切換，使該至少一諧振電容與對應之該電感串聯於該第一電壓與該第二電壓之間，以形成一第一電流路徑並諧振操作；其中，在至少一第二程序中，藉由該第二操作訊號控制該複數第二開關的切換，使該至少一諧振電容與對應之該電感串聯於該第二電壓與一直流電位之間，而同時形成或輪流形成複數第二電流路徑並諧振操作；其中，該複數第一開關之導通期間與該複數第二開關之導通期間彼此不重疊，以使該第一程序與該第二程序彼此不重疊；其中該控制電路根據一預設比例而調整該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之操作頻率及/或占空比，而將該第一電壓與該第二電壓間之比例，調節於該預設比例；其中，該第一程序與該至少一第二程序彼此重複地交錯排序，以將該第一電壓轉換為該第二電壓或將該第二電壓轉換為該第一電壓；其中當該控制電路根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該第二程序 中，且該複數第一開關及/或該複數第二開關導通時，朝該第二電壓流動之電感電流處於一第一狀態，其中該第一狀態為朝該第二電壓流動之該電感電流是諧振電流，當該控制電路根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該第二程序中，流經對應之該電感之該電感電流係經由一電流續流路徑而續流，進而使朝該第二電壓流動之該電感電流處於一第二狀態，使得對應之該電感在該第一狀態與該第二狀態之間進行電感式電源轉換切換。
於另一觀點中，本發明係提供一種切換電容式電壓轉換方法，用以將一第一電壓轉換為一第二電壓或將該第二電壓轉換為該第一電壓，該切換電容式電壓轉換方法包括：以一第一操作訊號操作複數第一開關；以一第二操作訊號操作複數第二開關；在一第一程序中，藉由該第一操作訊號控制該複數第一開關的切換，使至少一諧振電容與對應之一電感串聯於該第一電壓與該第二電壓之間，以形成一第一電流路徑並諧振操作；在至少一第二程序中，藉由該第二操作訊號控制該複數第二開關的切換，使該至少一諧振電容與對應之該電感串聯於該第二電壓與一直流電位之間，而同時形成或輪流形成複數第二電流路徑並諧振操作；以及根據一預設比例而調整該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之操作頻率及/或占空比，而將該第一電壓與該第二電壓間之比例，調節於該預設比例；其中，該複數第一開關之導通期間與該複數第二開關之導通期間彼此不重疊，以使該第一程序與該第二程序彼此不重疊；其中，該第一程序與該至少一第二程序彼此重複地交錯排序，以將該第一電壓轉換為該第二電壓或將該第二電壓轉換為該第一電壓；其中當根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第 一程序及/或該第二程序中，且該複數第一開關及/或該複數第二開關導通時，朝該第二電壓流動之電感電流處於一第一狀態，其中該第一狀態為朝該第二電壓流動之該電感電流是諧振電流，當根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該第二程序中，流經對應之該電感之該電感電流係經由一電流續流路徑而續流，進而使朝該第二電壓流動之該電感電流處於一第二狀態，使得對應之該電感在該第一狀態與該第二狀態之間進行電感式電源轉換切換。
於一實施例中，當根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該第二程序中，且該複數第一開關及該複數第二開關皆不導通時，對應之該電感之一端經由該複數第一開關及該複數第二開關中該至少一開關中之該內接二極體(body diode)而導通於該直流電位，使得朝該第二電壓流動之該電感電流為該線性斜坡電流，以調整該預設比例。
於一實施例中，當根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該第二程序中，且該複數第一開關及該複數第二開關皆不導通時，流經對應之該電感之該電感電流係經由該複數第一開關及該複數第二開關中該至少一開關中之該內接二極體(body diode)之導通，而經由一諧振槽及該至少一開關中之該內接二極體所形成之一閉迴路續流，進而使得該第二狀態為該電感電流停止朝該第二電壓流動，其中該至少一諧振電容及對應之該電感形成該諧振槽。
於一實施例中，該切換電容式電壓轉換方法更包括提供一非諧振電容，與該諧振電容耦接，其中該非諧振電容之跨壓，於該第一程序與該第二程序中，維持於一固定直流電壓。
於一實施例中，該切換電容式電壓轉換方法更包括提供一切換電容轉換器，該切換電容轉換器提供該複數第一開關、該複數第二開關、該至少一諧振電容以及該電感，其中該切換電容轉換器包括散佈式切換電容轉換器(distributed switched capacitor converter)、串並聯式切換電容轉換器(series-parallel switched capacitor converter)、狄克森式切換電容轉換器(Dickson switched capacitor converter)、階梯式切換電容轉換器(ladder switched capacitor converter)、倍壓式切換電容轉換器(doubler switched capacitor converter)、斐波納契式切換電容轉換器(Fibonacci switched capacitor converter)、管線式切換電容轉換器(pipelined switched capacitor converter)以及切換腔式轉換器(switched tank converter)。
於一實施例中，該切換電容式電壓轉換方法更包括：感測流經該至少一電感之電流，以產生至少一電流感測訊號；以及根據該電流感測訊號以及該預設比例而產生該第一操作訊號及/或該第二操作訊號。
於一實施例中，該第二狀態為朝該第二電壓流動之該電感電流是非諧振電流。
於一實施例中，該第二狀態為該電感電流停止朝該第二電壓流動，或朝該第二電壓流動之該電感電流為一線性斜坡電流。
於一實施例中，於該第一程序及/或該第二程序中，該複數第一開關及該複數第二開關皆不導通時，該電感電流處於該第二狀 態，其所流經之該電流續流路徑包括對應之該開關中之內接二極體(body diode)。
於一實施例中，當該控制電路根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該第二程序中，且該複數第一開關及該複數第二開關皆不導通時，對應之該電感之一端經由至少一該開關中之該內接二極體(body diode)而導通於該直流電位，使得朝該第二電壓流動之該電感電流為該線性斜坡電流，以調整該預設比例。
於一實施例中，當該控制電路根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該第二程序中，且該複數第一開關及該複數第二開關皆不導通時，流經對應之該電感之該電感電流係經由至少一該開關中之該內接二極體(body diode)之導通，而經由一諧振槽及至少一該開關中之該內接二極體所形成之一閉迴路續流，進而使得該第二狀態為該電感電流停止朝該第二電壓流動，其中該至少一諧振電容及該至少一電感形成該諧振槽。
於一實施例中，於該第一程序及/或該第二程序中，於流經對應之該電感之該電感電流降低至0後，該複數開關保持不導通一零電流時段。
於一實施例中，該切換電容式電壓轉換電路更包含一非諧振電容，與該諧振電容耦接，其中該非諧振電容之跨壓，於該第一程序與該第二程序中，維持於一固定直流電壓。
於一實施例中，該第一電壓為該第二電壓的兩倍，且該第一操作訊號與該第二操作訊號具有各自對應之該操作頻率。
於一實施例中，該第一操作訊號及該第二操作訊號之該占空比皆為50%。
於一實施例中，該預設比例為該第一電壓與該第二電壓之比值，且該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該操作頻率正相關於該預設比例。
於一實施例中，該第一操作訊號之該操作頻率高於該第一程序中該至少一諧振電容與對應之該電感之諧振頻率，且該第二操作訊號之該操作頻率高於該第二程序中該至少一諧振電容與對應之該電感之諧振頻率。
於一實施例中，該預設比例為不小於2之正整數。
於一實施例中，該切換電容轉換器包括散佈式切換電容轉換器(distributed switched capacitor converter)、串並聯式切換電容轉換器(series-parallel switched capacitor converter)、狄克森式切換電容轉換器(Dickson switched capacitor converter)、階梯式切換電容轉換器(ladder switched capacitor converter)、倍壓式切換電容轉換器(doubler switched capacitor converter)、斐波納契式切換電容轉換器(Fibonacci switched capacitor converter)、管線式切換電容轉換器(pipelined switched capacitor converter)以及切換腔式轉換器(switched tank converter)。
於一實施例中，該串並聯式切換電容轉換器(series-parallel switched capacitor converter)包括二分之一串並聯式切換電容轉換器(2-to-1 series-parallel switched capacitor converter)、三分之一串並聯式切換電容轉換器(3-to-1 series-parallel switched capacitor converter)及四 分之一串並聯式切換電容轉換器(4-to-1 series-parallel switched capacitor converter)。
於一實施例中，該直流電位為接地電位。
於一實施例中，該控制電路包括：一電流感測電路，用以感測流經該至少一電感之電流，以產生至少一電流感測訊號；以及一控制訊號產生電路，與該電流感測電路耦接，用以根據該電流感測訊號以及該預設比例而產生該控制訊號。
本發明之優點在於本發明藉由調整占空比及/或操作頻率並使電感電流續流，可提高功率轉換效率、可降低切換損耗、可降低對開關及電感之電壓應力、可縮小電感尺寸且可使得輸出電壓為可調整的。
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。
10:習知降壓轉換電路
20,30,30a,30b,40,40a,50,50a,50b,60,70,80,90,100,110,110b,120,130,140,150,160,170,180,190,200,210,220,230:切換電容式電壓轉換電路
201,301,301a,301b,401,401a,501,501a,501b,601,701,801,901,1001,1101,1201,1301,1401,1501,1601,1701,1801,1901,2001,2101,2201,2301:控制電路
2011:電流感測電路
2012:控制訊號產生電路
202,302,302a,302b,402,402a,502,502a,502b,602,1502,1602,1702,1802,1902,2002,2102,2202,2302:切換電容轉換器
4021,4021a,4022,4022a,7021,7022,7031,7032,11021,11022,11031,11032,15021,15022:諧振槽
4023,4024,4024a,7023,7024,7033,7034,11023,11024,11033,11034,15023:閉迴路
6021:變壓器
702,802,902,1002,1102,1102b,1202,1302,1402:第一切換電容轉換器
703,803,903,1003,1103,1103b,1203,1303,1403:第二切換電容轉換器
C1,C11,C12,C13,C2,C3:(非)諧振電容/電容
C21:上層諧振電容
Cd:電流感測訊號
CV1,CV2:非諧振電容
GA:第一操作訊號
GB:第二操作訊號
I1:第一電流
I2:第二電流
IC1:諧振電容電流
IL,IL1,IL11,IL12,IL2,IL3,ILo,ILo1,ILo11,ILo12,ILo2,ILo3:電感電流
L,L1,L11,L12,L2,L3:電感
LX:切換節點
LX1,LX11:第一切換節點
LX2,LX12:第二切換節點
Q1~Q21,Q28:開關
T1,T1’,T2,T2’:導通期間
Td1,Td1’,Td2,Td2’:延遲時間
Tz:零電流時段
V1:第一電壓
V2:第二電壓
VC1,VC2,VC3:(諧振電容)跨壓
圖1係為習知的降壓轉換電路之示意圖。
圖2A係根據本發明之一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖2B係根據本發明之一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之控制電路之電路方塊圖。
圖2C係根據本發明之一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖3A係根據本發明之一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之控制電路之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖3B係根據本發明之一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之控制電路之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖3C係根據本發明之一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖3D係根據本發明之另一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖3E係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖3F係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖4係根據本發明之另一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖5係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖6係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖7係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖8係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖9係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖10係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖11係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖12係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖13係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖14係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖15係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖16係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖17係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖18係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路方塊圖。
圖19係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖20係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖21係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖22A係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖22B係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖23係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖24係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖25係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖26係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖27係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖28係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖29係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖30係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
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2A係根據本發明之一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。如圖2A所示，切換電容式電壓轉換電路20用以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。切換電容式電壓轉換電路20包括控制電路201及切換電容轉換器202。切換電容轉換器202耦接於第一電壓V1與第二電壓V2之間。控制電路201用以產生控制訊號以控制切換電容轉換器202，而將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。切換電容轉換器202包括至少一諧振電容C1、複數開關(例如開關Q1~Q4)以及至少一電感L。電感L與至少一諧振電容C1耦接。控制電路201用以產生控制訊號，控制訊號包括第一操作訊號GA與第二操作訊號GB。第一操作訊號GA用以操作複數開關(例如開關Q1~Q4)之複數第一開關(例如開關Q1及Q2)，且第二操作訊號GB用以操作複數開關(例如開關Q1~Q4)之複數第二開關(例如開關Q3及Q4)。
在第一程序中，藉由第一操作訊號GA控制複數第一開關(例如開關Q1及Q2)的切換，使至少一諧振電容C1與對應之電感L串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，以形成第一電流路徑並諧振操作。在至 少一第二程序中，藉由第二操作訊號GB控制複數第二開關(例如開關Q3及Q4)的切換，使至少一諧振電容C1與對應之電感L串聯於第二電壓V2與直流電位之間，而同時形成或輪流形成複數第二電流路徑並諧振操作。於一實施例中，控制電路201根據預設比例而調整第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之操作頻率及/或占空比，而將第一電壓V1與第二電壓V2間之比例調節於該預設比例。第一程序與至少一第二程序彼此重複地交錯排序，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。於一實施例中，第一電壓V1為第二電壓V2的兩倍，且第一操作訊號GA與第二操作訊號GB具有各自對應之操作頻率。於一實施例中，預設比例為第一電壓V1與第二電壓V2之比值，第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之操作頻率正相關於該預設比例。於一實施例中，第一操作訊號GA之操作頻率高於第一程序中至少一諧振電容C1與對應之電感L之諧振頻率，且第二操作訊號GB之操作頻率高於第二程序中至少一諧振電容C1與對應之電感L之諧振頻率。於一實施例中，上述直流電位為接地電位。
圖2B係根據本發明之一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之控制電路之電路方塊圖。請同時參閱圖2A及圖2B，於一實施例中，控制電路201包括電流感測電路2011及控制訊號產生電路2012。電流感測電路2011用以感測流經至少一電感L之電流，以產生至少一電流感測訊號Cd，而控制訊號產生電路2012與電流感測電路2011耦接，用以根據電流感測訊號Cd以及預設比例而產生控制訊號。
圖2C係根據本發明之一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。請參照圖2A，當控制電路201根據預設比例而調 降第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之占空比，於第一程序及/或第二程序中，且複數第一開關(例如開關Q1及Q2)及/或複數第二開關(例如開關Q3及Q4)導通時，朝第二電壓V2流動之電感電流ILo處於第一狀態。於一實施例中，第一狀態為朝第二電壓V2流動之電感電流ILo是諧振電流。
再請參照圖2C，當控制電路201根據預設比例而調降第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之占空比，於第一程序及/或第二程序中，流經對應之電感L之電感電流IL係經由一電流續流路徑而續流，進而使朝第二電壓V2流動之電感電流ILo處於第二狀態，使得對應之電感L在第一狀態與第二狀態之間進行電感式電源轉換切換。
上述電流續流路徑可以有各種實施方式，舉例而言，再請參照圖2C，當控制電路201根據預設比例而調降第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之占空比，於第一程序及/或第二程序中，且複數第一開關(例如開關Q1及Q2)及複數第二開關(例如開關Q3及Q4)皆不導通時，流經對應之電感L之電感電流IL係經由至少一開關(例如開關Q2及Q4)中之內接二極體(body diode)(如圖2C中虛線所示)之導通而續流，進而使朝第二電壓V2流動之電感電流ILo處於第二狀態，使得對應之電感L在第一狀態與第二狀態之間進行電感式電源轉換切換。其中，電流續流路徑包括不導通狀態的開關Q2及Q4中之內接二極體(body diode)。
在電流續流路徑的另一種實施方式中，舉例而言，再請參照圖2C，當控制電路201根據預設比例而調降第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之占空比，於第一程序及/或第二程序中，且開關Q1及Q3皆不導通，且開關Q2及Q4皆導通時，流經對應之電感L之電感電流IL係 經由開關Q2及Q4之導通而續流，進而使朝第二電壓V2流動之電感電流ILo處於第二狀態，使得對應之電感L在第一狀態與第二狀態之間進行電感式電源轉換切換。其中，電流續流路徑包括導通狀態的開關Q2及Q4。
於一實施例中，第二狀態為朝第二電壓V2流動之電感電流ILo是非諧振電流。於一較佳實施例中，第二狀態為電感電流ILo停止朝第二電壓V2流動或朝第二電壓V2流動之電感電流ILo為線性斜坡電流。於本實施例中，如圖2C所示，朝第二電壓V2流動之電感電流ILo為線性斜坡電流。
於一較佳實施例中，當控制電路201根據預設比例而調降第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之占空比，於第一程序及/或第二程序中，且複數開關(例如開關Q1~Q4)皆不導通時，對應之電感L之一端經由至少一開關(例如開關Q2及Q4)中之內接二極體(body diode)(如圖2C之虛線所示)而導通於直流電位，使得朝第二電壓V2流動之電感電流ILo為線性斜坡電流，以調整該預設比例。舉例而言，電感L經由開關Q4及Q2中之內接二極體串聯於第二電壓V2與接地電位之間，使電感電流IL得以依照例如圖2C中虛線箭頭所示之電流方向續流，使得朝第二電壓V2流動之電感電流ILo為線性斜坡電流，以調整該預設比例。
圖3A係根據本發明之一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之控制電路之相關訊號之訊號波形示意圖。圖3A所示者為未調整占空比時之第一操作訊號GA及第二操作訊號GB。第一操作訊號GA及第二操作訊號GB之占空比皆約為50%。如圖3A所示，複數第一開關(例如開關Q1及Q2)之導通期間T1與複數第二開關(例如開關Q3及Q4)之導通期間T2彼此不重疊，以使第一程序與第二程序彼此不重疊。
圖3B係根據本發明之一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之控制電路之相關訊號之訊號波形示意圖。圖3B所示者為縮小占空比後之第一操作訊號GA及第二操作訊號GB。如圖3A及圖3B所示，縮小占空比之後，複數第一開關(例如開關Q1及Q2)之導通期間T1與複數第二開關(例如開關Q3及Q4)之導通期間T2分別縮小為導通期間T1’及T2’，延遲時間Td1及Td2分別增加至延遲時間Td1’及Td2’。
圖3C係根據本發明之一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之相關訊號之訊號波形示意圖。此實施例為未調整占空比及操作頻率時之訊號波形示意圖。第二電壓V2、第二電流I2、電感電流IL、諧振電容跨壓VC1、諧振電容電流IC1及第一電流I1係顯示於圖3C。此實施例之第一電壓V1為48V且第二電壓V2為24V。圖3D係根據本發明之另一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之相關訊號之訊號波形示意圖。此實施例為縮小占空比，但操作頻率不變時之訊號波形示意圖。第二電壓V2、第二電流I2、電感電流IL、諧振電容跨壓VC1、諧振電容電流IC1、第一電流I1、第一操作訊號GA及第二操作訊號GB係顯示於圖3D。此實施例之第一電壓V1為48V且第二電壓V2為16V。於本實施例及其他實施例中，如圖3D所示，於該第一程序及/或該第二程序中，於流經對應之電感L之電感電流IL降低至0後，複數開關(例如開關Q1~Q4)保持不導通一零電流時段Tz，藉此可進一步調整第一電壓V1與第二電壓V2之比例。
圖3E係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之相關訊號之訊號波形示意圖。此實施例為縮小占空比，且增 加操作頻率時之訊號波形示意圖。第二電壓V2、第二電流I2、電感電流IL、諧振電容跨壓VC1、諧振電容電流IC1、第一電流I1、第一操作訊號GA及第二操作訊號GB係顯示於圖3E。此實施例之第一電壓V1為48V且第二電壓V2為16V。由圖3E可知，此實施例之漣波較圖3D小。
圖3F係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之相關訊號之訊號波形示意圖。此實施例為縮小占空比，且更進一步增加操作頻率時之訊號波形示意圖。第二電壓V2、第二電流I2、電感電流IL、諧振電容跨壓VC1、諧振電容電流IC1、第一電流I1、第一操作訊號GA及第二操作訊號GB係顯示於圖3F。此實施例之第一電壓V1為48V且第二電壓V2為24V。由圖3F可知，此實施例之漣波較圖3E更小。
圖4係根據本發明之另一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。切換電容式電壓轉換電路30用以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2，或者，用以將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。本實施例中，切換電容式電壓轉換電路30包含控制電路301以及切換電容轉換器302。切換電容轉換器302包括彼此耦接的非諧振電容C1、諧振電容C2、諧振電容C3以及複數開關(例如開關Q1~Q10)。應注意者為，當電容C1之電容值遠大於電容C2及C3之電容值時，電容C1可被視為非諧振電容。
在一實施例中，於第一程序中，複數開關(例如開關Q1~Q10)控制非諧振電容C1與諧振電容C3串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，且控制諧振電容C2與第二電壓V2並聯，諧振電容C2的另一端受控制耦接於接地電位。具體而言，開關Q1、Q2與Q3導通以控制非諧振電容C1與諧振電容C3串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，開關 Q4與Q5導通以控制諧振電容C2與第二電壓V2並聯，且開關Q6~Q10為不導通。本實施例中，於第一程序中，控制訊號GA為致能，使其所控制之開關為導通，控制訊號GB為禁能，使其所控制之開關為不導通。
於第二程序中，複數開關(例如開關Q1~Q10)控制諧振電容C2與非諧振電容C1串聯於第二電壓V2與接地電位之間，且控制諧振電容C3與第二電壓V2並聯。於第二程序中，諧振電容C2與非諧振電容C1反向串聯於第二電壓V2與接地電位之間。具體而言，開關Q6、Q7與Q8導通以控制諧振電容C2與非諧振電容C1串聯於第二電壓V2與接地電位之間，且開關Q9與Q10導通以控制諧振電容C3與第二電壓V2並聯，且開關Q1~Q5為不導通。本實施例中，於第二程序中，控制訊號GA為禁能，使其所控制之開關為不導通，控制訊號GB為致能，使其所控制之開關為導通。
切換電容式電壓轉換電路30藉上述週期性操作而進行第一電壓V1與第二電壓V2之間的電源轉換。本實施例中，第一電壓V1與第二電壓V2之比值為4。
需說明的是，上述於第二程序中，諧振電容C2與非諧振電容C1「反向」串聯係指，諧振電容C2的跨壓與非諧振電容C1的跨壓為反相(即正負端方向相反)。
在將第一電壓V1轉換為第二電壓V2的實施例中，於第一程序中，第一電壓V1對彼此串聯的非諧振電容C1與諧振電容C3充電，諧振電容C2則是放電以供應給第二電壓V2，亦即，諧振電容C2對耦接於第二電壓V2的非諧振電容CV2充電。而於第二程序中，非諧振電容C1則對諧振電容C2以及第二電壓V2充電。
此外，在將第二電壓V2轉換為第一電壓V1的實施例中，於第一程序中，第二電壓V2對彼此串聯的非諧振電容C1與諧振電容C3充電，且第二電壓V2對諧振電容C2充電。而於第二程序中，第二電壓V2對諧振電容C3充電，且第二電壓V2通過諧振電容C2對非諧振電容C1充電。
藉由上述的週期性操作，本實施例中，於穩態時，非諧振電容C1的跨壓VC1與第二電壓V2之比值為2，諧振電容C3之跨壓VC3與第二電壓V2之比值為1，且諧振電容C2之跨壓VC2與第二電壓V2之比值為1。在第二電壓V2為12V的實施例中，於穩態時，諧振電容C3之跨壓VC3與諧振電容C2之跨壓VC2亦皆為12V，值得注意的是，由於本發明可以使得電容上的跨壓於穩態時維持於較低的電壓，因此，電容得以維持較高的有效電容值，因而電容所需耐壓與體積皆可因此有效降低，同時，其諧振頻率較為穩定，且具有較佳的暫態響應。還值得注意的是，本發明的輸出電流(例如對應於第二電流I2)，係由兩個渠道所提供，因此可降低漣波。
分別耦接於第一電壓V1與第二電壓V2的非諧振電容CV1與CV2，在第一電壓V1轉換為第二電壓V2的實施例中，分別對應於輸入電容與輸出電容，或者，在第二電壓V2轉換為第一電壓V1的實施例中，分別對應於輸出電容與輸入電容。
切換電容轉換器302更包括電感L1與電感L2，其中電感L1耦接於第二電壓V2與第一切換節點LX1之間，電感L2耦接於第二電壓V2與第二切換節點LX2之間。於第一程序中，複數開關(例如開關Q1~Q10)控制非諧振電容C1與諧振電容C3，通過第一切換節點LX1與電 感L1串聯後，才串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，且控制諧振電容C2通過第二切換節點LX2與電感L2串聯後，才與第二電壓V2並聯。另一方面，於第二程序中，複數開關(例如開關Q1~Q10)控制諧振電容C2與非諧振電容C1，通過第二切換節點LX2與電感L2串聯於第二電壓V2與接地電位之間，且控制諧振電容C3通過第一切換節點LX1與電感L1串聯後，才與第二電壓V2並聯。於一實施例中，電感L1與電感L2皆操作於連續導通模式，藉此，可進一步降低湧浪電流與漣波電流。
在一實施例中，非諧振電容C1之電容值遠大於諧振電容C3與諧振電容C2之電容值，使得諧振電容C3與電感L1的第一諧振頻率，與諧振電容C2與電感L2的第二諧振頻率，皆遠高於非諧振電容C1與電感的第三諧振頻率，在一較佳實施例中，第一諧振頻率與第二諧振頻率皆大於或等於第三諧振頻率的10倍。
本實施例之控制電路301可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
圖5係根據本發明之另一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。本實施例中的切換電容轉換器402與圖4的切換電容轉換器302相似，其差別在於，切換電容轉換器402之電感L1係與諧振電容C3直接串聯電連接，而形成諧振槽4021，而切換電容轉換器402之電感L2係與諧振電容C2直接串聯電連接，而形成諧振槽4022。在一實施例中，於第一程序中，複數開關(例如開關Q1~Q10)控制諧振槽4021與非諧振電容C1串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，且控制諧振槽 4022與第二電壓V2並聯。另一方面，於第二程序中，複數開關(例如開關Q1~Q10)控制諧振槽4022與非諧振電容C1串聯於第二電壓V2與接地電位之間，且控制諧振槽4021與第二電壓V2並聯，切換電容轉換器402藉由上述週期性操作，以諧振方式操作而達成第一電壓V1與第二電壓V2之間的電源轉換。上述複數開關(例如開關Q1~Q10)的控制細節可參照圖4的實施例。
本實施例之控制電路401可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。如圖5所示，當控制電路401根據預設比例而調降第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之占空比，於第一程序及/或第二程序中，且複數第一開關(例如開關Q1~Q5)及複數第二開關(例如開關Q6~Q10)皆不導通時，流經對應之電感L1及L2之電感電流IL1及IL2係分別經由至少一開關(例如開關Q9及Q3與開關Q4及Q6)中之內接二極體(body diode)(如圖5中虛線所示)之導通，而分別經由諧振槽4021及4022與至少一開關(例如開關Q9及Q3與開關Q4及Q6)中之內接二極體(如圖5中虛線所示)所形成之閉迴路4023及4024續流，進而使得第二狀態為電感電流ILo1及ILo2停止朝第二電壓V2流動。如圖5所示，至少一諧振電容C3及至少一電感L1形成諧振槽4021，至少一諧振電容C2及至少一電感L2形成諧振槽4022。在此情況下，閉迴路電流(即電感電流IL1及IL2)無淨電流流入或流出非諧振電容(亦可稱為輸出電容)CV2。
舉例而言，流經對應之電感L1之電感電流IL1係經由開關Q9及Q3中之內接二極體之導通，而經由諧振槽4021與開關Q9及Q3中之內接二極體所形成之閉迴路4023續流，進而使得第二狀態為電感電流ILo1停止朝第二電壓V2流動。流經對應之電感L2之電感電流IL2係經由開關Q4及Q6中之內接二極體之導通，而經由諧振槽4022與開關Q4及Q6中之內接二極體所形成之閉迴路4024續流，進而使得第二狀態為電感電流ILo2停止朝第二電壓V2流動。
圖6係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。本實施例中的切換電容轉換器502與圖4的切換電容轉換器302相似，其差別在於，切換電容轉換器502是共用一電感L，電感L耦接於第二電壓V2與切換節點LX之間，於第一程序中，複數開關(例如開關Q1~Q10)控制非諧振電容C1與諧振電容C3，通過切換節點LX與電感L串聯後，才串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，且控制諧振電容C2通過切換節點LX與電感L串聯後，才與第二電壓V2並聯。另一方面，於第二程序中，複數開關(例如開關Q1~Q10)控制諧振電容C2與非諧振電容C1，通過切換節點LX與電感L串聯於第二電壓V2與接地電位之間，且控制諧振電容C3通過切換節點LX與電感器L串聯後，才與第二電壓V2並聯。本實施例中，非諧振電容C1、諧振電容C2與諧振電容C3皆與電感L通過諧振而進行第一電壓V1與第二電壓V2之間的轉換。上述複數開關(例如開關Q1~Q10)的控制細節可參照圖4的實施例。
本實施例之控制電路501可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
值得注意的是，本實施例的電容於充放電的過程，係與電感以諧振方式進行，因此，可有效降低電容於充放電時的湧浪電流，且可藉由諧振的特性，而達成零電流切換控制或是零電壓切換控制，後述以諧振方式操作的實施例亦同，細節容後詳述。
圖7係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。圖7所示的切換電容轉換器402a可對應於圖5之切換電容轉換器402，具體而言，本實施例中，於2倍轉換模式下，切換電容轉換器402a的開關Q1恆導通(以短路顯示)，開關Q2、Q3、Q8~Q10恆不導通，開關Q4~Q7用以切換諧振電容C2，以於第一程序中使諧振電容C2與電感L2串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，且於第二程序中使諧振電容C2與電感L2串聯後，並聯於第二電壓V2，使得第一電壓V1與第二電壓V2之比值為2，其中諧振電容C2與電感L2以諧振方式操作而達成第一電壓V1與第二電壓V2之間的電源轉換。本實施例中，由於開關Q2、Q3、Q8~Q10恆不導通，因此諧振槽4021a(諧振電容C3、電感L1)與非諧振電容C1各自之至少一端亦恆為浮接。
本實施例之控制電路401a可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖5，請參照關於圖5之詳細敘述。
圖8係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。圖8所示的切換電容轉換器502a可對應於圖6之 切換電容轉換器502，具體而言，本實施例中，於2倍轉換模式下，切換電容轉換器502a的開關Q1恆導通(以短路顯示)，開關Q2、Q3、Q8~Q10恆不導通，開關Q4~Q7用以切換諧振電容C2，以於第一程序中，控制諧振電容C2通過切換節點LX與電感L串聯後才串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，且於第二程序中，控制諧振電容C2通過切換節點LX與電感L串聯後，並聯於第二電壓V2，換言之，開關Q4~Q7於第二程序中，控制諧振電容C2通過切換節點LX與電感L串聯於第二電壓V2與接地電位之間，使得第一電壓V1與第二電壓V2之比值為2，其中諧振電容C2與電感L以諧振方式操作而達成第一電壓V1與第二電壓V2之間的電源轉換。本實施例中，由於開關Q2、Q3、Q8~Q10恆不導通，因此非諧振電容C1與諧振電容C3各自之至少一端亦恆為浮接。
本實施例之控制電路501a可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
圖9係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。圖9所示的切換電容轉換器302a可對應於圖4之切換電容轉換器302，具體而言，本實施例中，於2倍轉換模式下，切換電容轉換器302a的開關Q4、Q9恆導通(以短路顯示)，開關Q3、Q5、Q6、Q10恆不導通，開關Q1、Q2、Q7、Q8用以切換諧振電容C1，以於第一程序中，控制諧振電容C1通過第一切換節點LX1與電感L1串聯後才串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，且於第二程序中，控制諧振電容 C1通過第二切換節點LX2與電感L2串聯後，並聯於第二電壓V2。應注意者為，由於本實施例使部份開關Q4、Q9恆導通，部份開關Q3、Q5、Q6、Q10恆不導通，進而使得有效電路僅存電容C1，故此實施例之電容C1應視為諧振電容。換言之，開關Q1、Q2、Q7、Q8於第二程序中，控制諧振電容C1通過第二切換節點LX2與電感L2串聯於第二電壓V2與接地電位之間，使得第一電壓V1與第二電壓V2之比值為2，其中諧振電容C1與電感L1及L2以諧振方式操作而達成第一電壓V1與第二電壓V2之間的電源轉換。本實施例中，由於開關Q3、Q5、Q6、Q10恆不導通，因此諧振電容C3與諧振電容C2各自之至少一端亦恆為浮接。
本實施例之控制電路301a可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
圖10係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。圖10所示的切換電容轉換器502b可對應於圖6之切換電容轉換器502，具體而言，本實施例中，於3倍轉換模式下，切換電容轉換器502b的開關Q4恆導通(以短路顯示)，開關Q5、Q6恆不導通，開關Q1~Q3、Q7~Q10用以切換非諧振電容C1與諧振電容C3，以於第一程序中控制非諧振電容C1、諧振電容C3與電感L串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，且於第二程序中控制非諧振電容C1與諧振電容C3並聯後與電感L串聯，再與第二電壓V2並聯，使得第一電壓V1與第二電壓V2之比值為3，其中非諧振電容C1與諧振電容C3與電感L以諧振方式 操作而達成第一電壓V1與第二電壓V2之間的電源轉換。本實施例中，由於開關Q5、Q6恆不導通，因此諧振電容C2之一端亦恆為浮接。
本實施例之控制電路501b可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
圖11係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。圖11所示的切換電容轉換器302b可對應於圖4之切換電容轉換器302，且其複數開關之操作與切換電容轉換器502b相似，其差別在於，於第一程序中，切換電容轉換器302b的非諧振電容C1、諧振電容C3與電感L1串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，而於第二程序中，諧振電容C3與非諧振電容C1分別與電感L1、電感L2串聯後，再與第二電壓V2並聯，使得第一電壓V1與第二電壓V2之比值為3。其開關之操作細節可參照圖10之實施例。
本實施例之控制電路301b可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
需說明的是，上述圖7~圖11，係分別對應於前述圖5、圖6、圖4的開關與元件配置，藉由部分開關恆導通、另一部分開關恆不導通，其他開關則根據所需的模式而切換，即可使得第一電壓V1與第二電壓V2之比值設定為數種不同的倍數關係。此外，圖7~圖11係顯示前述圖 5、圖6、圖4之實施例的等效電路圖，其中恆不導通的開關與恆為浮接的電容則於圖中省略，以簡化圖面。
圖12係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。圖12所示的切換電容轉換器602相似於圖4所示的切換電容轉換器302，本實施例中，切換電容轉換器602的電感L1與L2彼此具有互感，因此，切換電容轉換器602的電感電流IL1與電感電流IL2彼此之間可具有較佳的電流平衡，同時，也可使得諧振電容C3、C2彼此之間具有較佳的電壓平衡。
本實施例之控制電路601可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
在一實施例中，電感L1與L2例如可配置為互感電感器(coupled inductors)，或是配置為一變壓器(如變壓器6021)。
圖13係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。在一實施例中，切換電容式電壓轉換電路70包括第一切換電容轉換器702與第二切換電容轉換器703，第一切換電容轉換器702與第二切換電容轉換器703彼此並聯耦接於該第一電壓V1與該第二電壓V2之間，本實施例中，第一切換電容轉換器702與第二切換電容轉換器703例如對應於前述圖5的切換電容轉換器402，本實施例中，藉由並聯操作的複數切換電容轉換器，可以提高輸出功率，或降低漣波電流與漣波電流。需說明的是，上述切換電容轉換器的「並聯」係指，切 換電容轉換器的輸入端彼此例如電連接於第一電壓V1，切換電容轉換器的輸出端例如彼此電連接於第二電壓V2。
在一實施例中，第一切換電容轉換器702與第二切換電容轉換器703以彼此相反的相位切換每一切換電容轉換器中對應的該複數開關，以交錯方式進行電源轉換，具體而言，如圖13所示，第一切換電容轉換器702之開關Q1~Q10的控制訊號GA與GB係與圖5的切換電容轉換器402同相，而第二切換電容轉換器703之開關Q11~Q20的控制訊號GA與GB係與圖5的切換電容轉換器402反相(因而也與第一切換電容轉換器702反相)。
第一切換電容轉換器702與第二切換電容轉換器703包含了電感L1、L2、L11、L12，而分別與諧振電容C3、C2、C13、C12串聯而形成諧振槽7021、7022、7031與7032。本實施例是以交錯方式操作第一切換電容轉換器702與第二切換電容轉換器703而進行電源轉換，而第一切換電容轉換器702與第二切換電容轉換器703則各自相似於前述圖5中的切換電容轉換器402，而以諧振方式進行電源轉換。
本實施例之控制電路701可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖5，請參照關於圖5之詳細敘述。
圖14係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。圖14的切換電容式電壓轉換電路80與圖13的切換電容式電壓轉換電路70相似，切換電容式電壓轉換電路80包括第一切 換電容轉換器802與第二切換電容轉換器803，其差別在於，第一切換電容轉換器802共用電感L1，而第二切換電容轉換器803共用電感L11，而以相似於圖6實施例的方式，於諧振電容C3、C2並聯後與電感L1串聯，以相似於圖6實施例的方式，於諧振電容C13、C12並聯後與電感L11串聯。如同圖13的切換電容式電壓轉換電路70，本實施例亦是以交錯方式操作第一切換電容轉換器802與第二切換電容轉換器803而進行電源轉換，而第一切換電容轉換器802與第二切換電容轉換器803則各自相似於前述圖6中的切換電容轉換器502，而以諧振方式進行電源轉換。
本實施例之控制電路801可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
圖15係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。圖15的切換電容式電壓轉換電路90與圖13的切換電容式電壓轉換電路70相似，切換電容式電壓轉換電路90包括第一切換電容轉換器902與第二切換電容轉換器903，其差別在於，第一切換電容轉換器902與第二切換電容轉換器903之電感L1、L2、L11、L12並非分別直接與諧振電容C3、C2、C13、C12串聯，而是分別透過第一切換節點LX1、第二切換節點LX2、第一切換節點LX11、第二切換節點LX12與諧振電容C3、C2、C13、C12串聯。如同圖13的切換電容式電壓轉換電路70，本實施例亦是以交錯方式操作第一切換電容轉換器902與第二切換電容轉換器903而進行電源轉換，而第一切換電容轉換器902與第二切換 電容轉換器903則各自相似於前述圖4中的切換電容轉換器302，而以諧振方式進行電源轉換。
本實施例之控制電路901可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
圖16係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。圖16的切換電容式電壓轉換電路100與圖15的切換電容式電壓轉換電路90相似，切換電容式電壓轉換電路100中的電感L1、L2、L11、L12，彼此之間具有互感，因此，切換電容式電壓轉換電路100的電感電流IL1、電感電流IL2、電感電流IL11、電感電流IL12彼此之間可具有較佳的電流平衡，同時，也可使得諧振電容C3、C2、C13、C12彼此之間具有較佳的電壓平衡。在一實施例中，切換電容式電壓轉換電路100可依需求，而配置電感L1、L2、L11、L12彼此之間皆具有互感，或僅部分之電感之間具有互感。在一實施例中，電感L1、L2、L11、L12可配置為至少一變壓器。
本實施例之控制電路1001可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
圖17係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。圖17所示的切換電容式電壓轉換電路110包括了第一切換電容轉換器1102與第二切換電容轉換器1103，以及一上層諧 振電容C21以及複數上層開關(例如開關Q21，Q28)，其中第一切換電容轉換器1102與第二切換電容轉換器1103例如皆可對應於圖5的切換電容轉換器402。就一觀點而言，圖17所示的切換電容式電壓轉換電路110，係植基於例如圖5的切換電容轉換器402，而配置為具有更多層的切換電容式電壓轉換電路，具體而言，上層諧振電容C21、複數上層開關(開關Q21，Q28)、第一切換電容轉換器1102與第二切換電容轉換器1103以一基本拓樸彼此耦接，請同時參閱圖18，所述之「基本拓樸」，在一實施例中，係指上層諧振電容C21、複數上層開關(例如開關Q21，Q28)、第一切換電容轉換器1102與第二切換電容轉換器1103之基本耦接關係，容後詳述。
本實施例之控制電路1101可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖5，請參照關於圖5之詳細敘述。
在一實施例中，根據前述的基本拓樸，第一切換電容轉換器1102(對應於第一切換電容轉換器1102b，圖18)的輸入端與上層諧振電容C21的一端彼此電連接，且第二切換電容轉換器1103(對應於第二切換電容轉換器1103b，圖18)的輸入端與上層諧振電容C21的另一端彼此電連接，此外，第一切換電容轉換器1102的輸出端、第二切換電容轉換器1103的輸出端與第二電壓V2彼此電連接。
於第一程序中(例如對應於控制訊號GA禁能，而控制訊號GB致能時)，複數上層開關(如開關Q21，Q28)與第一切換電容轉 換器1102之複數開關(如開關Q11~Q20)控制上層諧振電容C21與第一切換電容轉換器1102串聯且於第一電壓V1與第二電壓V2之間建立至少一電流路徑，且複數上層開關(如開關Q21，Q28)與第二切換電容轉換器1103之複數開關(如開關Q1~Q10)控制上層諧振電容C21與第二切換電容轉換器1103之間為斷路，且控制第二切換電容轉換器1103於第二電壓V2至接地電位之間建立至少一電流路徑。
另一方面，於第二程序中(例如對應於控制訊號GA致能，控制訊號GB禁能時)，複數上層開關(開關Q21，Q28)與第二切換電容轉換器1103之複數開關(例如開關Q1~Q10)控制第二切換電容轉換器1103與上層諧振電容C21串聯於第二電壓V2與接地電位之間，且於第二電壓V2與接地電位之間建立至少一電流路徑，且複數上層開關(開關Q21，Q28)與第一切換電容轉換器1102之複數開關(例如開關Q11~Q20)控制上層諧振電容C21與第一切換電容轉換器1102之間為斷路，且控制第一切換電容轉換器1102於第二電壓V2至接地電位之間建立至少一電流路徑。
前述之電流路徑例如為控制訊號GA致能時，或控制訊號GB致能時，分別所對應導通之開關所建立而得的電流路徑。
第一切換電容轉換器1102與第二切換電容轉換器1103更配置了如圖5實施例中的諧振槽，亦即，諧振槽11021、11022、11031、11032，進而藉由諧振槽11021、11022、11031、11032以諧振方式進行第一電壓V1與第二電壓V2之間的轉換。
本實施例中，如圖17所示的第一電壓V1與第二電壓V2之比值為8。詳言之，在穩態時，上層諧振電容C21的跨壓為4*V2，非諧振電容C1與C11(皆對應於如前述實施例中的非諧振電容)的跨壓皆為2*V2，而諧振電容C3、C13(皆對應於如前述實施例中的諧振電容)、諧振電容C2、C12(皆對應於如前述實施例中的諧振電容)的跨壓皆為V2。
繼續參閱圖18，根據本發明，可藉由圖18的基本拓樸，遞迴地擴充管線式切換電容式電壓轉換電路的層數，藉此達成第一電壓V1與第二電壓V2之間更高的轉換倍率。如圖18所示，任一具有符合圖18的基本拓樸的管線式切換電容式電壓轉換電路可用以取代第一切換電容轉換器1102與第二切換電容轉換器1103(例如圖中之第一切換電容轉換器1102b及第二切換電容轉換器1103b可對應為N層管線式切換電容式電壓轉換電路，其中N為大於等於2的整數)，藉此獲得更高層數的管線式切換電容式電壓轉換電路，亦即管線式切換電容式電壓轉換電路110b將成為N+1層管線式切換電容式電壓轉換電路。
具體舉例而言，如將圖17的管線式切換電容式電壓轉換電路110，代入圖18的第一切換電容轉換器1102b與第二切換電容轉換器1103b，則圖18的管線式切換電容式電壓轉換電路110b將配置成為16：1的管線式切換電容式電壓轉換電路，相同的代入配置可持續重複地提高層數，進而不斷提高電源的轉換倍數。
在此實施例中(16：1的切換電容式電壓轉換電路)，如圖17的第一切換電容轉換器1102與第二切換電容轉換器1103可視為最底層(1層)之管線式切換電容式電壓轉換電路，其結構對應於如圖5的切換電容轉換器402，而圖17的管線式切換電容式電壓轉換電路110可視為2層之管線式切換電容式電壓轉換電路，再者，以圖17的2層管線式切換電容式電壓轉換電路110代入圖18的第一切換電容轉換器1102b與第二切換電容轉換器1103b，則圖18所示的管線式切換電容式電壓轉換電路110b，可視為3層之管線式切換電容式電壓轉換電路。
圖19係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。圖19所示的切換電容式電壓轉換電路120相似於圖17所示的切換電容式電壓轉換電路110，其差別在於，第一切換電容轉換器1202共用電感L11，而第二切換電容轉換器1203共用電感L1，而以相似於圖6實施例的方式，於諧振電容C3、C2並聯後與電感L1串聯，以相似於圖6實施例的方式，於諧振電容C13、C12並聯後與電感L11串聯。如同圖17的切換電容式電壓轉換電路110，本實施例亦是以交錯方式操作第一切換電容轉換器1202與第二切換電容轉換器1203而進行電源轉換，而第一切換電容轉換器1202與第二切換電容轉換器1203則各自相似於前述圖6中的切換電容轉換器502，而以諧振方式進行電源轉換。
本實施例之控制電路1201可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
圖20係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。圖20所示的切換電容式電壓轉換電路130相似於圖17所示的切換電容式電壓轉換電路110，其差異在於第一切換電容轉換器1302與第二切換電容轉換器1303之電感L1、L2、L11、L12並非分別直接與諧振電容C3、C2、C13、C12串聯，而是分別透過第一切換節點LX1、第二切換節點LX2、第一切換節點LX11、第二切換節點LX12與諧振電容C3、C2、C13、C12串聯，換言之，切換電容式電壓轉換電路130以相似於切換電容式電壓轉換電路110的方式進行切換操作，進而藉由電感L1、L2、L11、L12與對應的諧振電容，以如圖4實施例之諧振方式進行第一電壓V1與第二電壓V2之間的轉換，本實施例中，第一電壓V1與第二電壓V2之比值亦為8。
本實施例之控制電路1301可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
圖21係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。圖21的切換電容式電壓轉換電路140與圖20的切換電容式電壓轉換電路130相似，切換電容式電壓轉換電路140中的電感L1、L2、L11、L12，彼此之間具有互感，因此，切換電容式電壓轉換電路140的電感電流IL1、電感電流IL2、電感電流IL11、電感電流IL12彼此之間可具有較佳的電流平衡，同時，也可使得諧振電容C3、C2、C13、C12彼此之間具有較佳的電壓平衡。在一實施例中，切換電容式電壓轉 換電路140可依需求，而配置電感L1、L2、L11、L12彼此之間皆具有互感，或僅部分之電感器之間具有互感。在一實施例中，電感L1、L2、L11、L12可配置為至少一變壓器。
本實施例之控制電路1401可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
圖22A係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。如圖22A所示，切換電容式電壓轉換電路150包含諧振電容C1、C3、至少一非諧振電容C2、開關Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、諧振電感L1、L2以及控制電路1501。
如圖22A所示，控制電路1501係用以產生第一操作訊號GA、第二操作訊號GB，以分別對應一第一諧振程序與一第二諧振程序，而操作對應之複數開關(例如開關Q1~Q10)，以切換所對應之諧振電容C1、C3及非諧振電容C2之電連接關係。切換電容式電壓轉換電路150包含至少一諧振槽，例如諧振槽15021及15022，諧振槽15021具有彼此串聯之諧振電容C1與諧振電感L1，而諧振槽15022具有彼此串聯之諧振電容C3與諧振電感L2。開關Q1-Q10與至少一諧振槽15021、15022對應耦接，分別根據對應之第一操作訊號GA與第二操作訊號GB，以切換所對應之諧振槽15021、15022之電連接關係而對應第一諧振程序與第二諧振程序。於第一諧振程序中，對所對應之諧振槽15021、15022進行諧振充電，於第二諧振程序中對所對應之諧振槽15021、15022進行諧振放電。至少一非諧振電容C2係與至少一諧振槽15021、15022耦接，第一操作訊號GA 與第二操作訊號GB切換非諧振電容C2與至少一諧振槽15021、15022之電連接關係。非諧振電容C2之跨壓維持與第一電壓V1成一固定比例，例如在本實施例中為二分之一第一電壓V1。第一諧振程序與第二諧振程序彼此重複地交錯排序，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。第一操作訊號GA與第二操作訊號GB分別各自切換至導通位準一段導通期間，且複數段導通期間彼此不重疊，以使第一諧振程序與第二諧振程序彼此不重疊。
於第一諧振程序中，根據第一操作訊號GA，開關Q1、Q3、Q5、Q8、Q9係導通，開關Q2、Q4、Q6、Q7、Q10係不導通，使得諧振槽15021之諧振電容C1與諧振電感L1串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，且使得非諧振電容C2與諧振槽15022之諧振電容C3及諧振電感L2串聯於接地電位與第二電壓V2之間，而對諧振電容C1及C3進行充電，並對非諧振電容C2進行放電。於第二諧振程序中，根據第二操作訊號GB，開關Q2、Q4、Q6、Q7、Q10係導通，開關Q1、Q3、Q5、Q8、Q9係不導通，使得非諧振電容C2與諧振槽15021之諧振電容C1及諧振電感L1串聯於接地電位與第二電壓V2之間，且使諧振槽15022之諧振電容C3與諧振電感L2串聯於接地電位與第二電壓V2之間，而對諧振電容C1、C3進行放電，並對非諧振電容C2進行充電。
有關具有如圖22A及22B所示之諧振槽15021與15022之切換電容式電壓轉換電路150的操作方式，此為本領域中具有通常知識者所熟知，在此不予贅述。
本實施例之控制電路1501可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。如圖22A所示， 當控制電路1501根據預設比例而調降第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之占空比，於第一程序中，且複數開關(例如開關Q1~Q10)皆不導通時，對應之電感L1之一端經由至少一開關(例如開關Q8及Q2)中之內接二極體(body diode)(如圖22A之虛線所示)而導通於直流電位，使得朝第二電壓V2流動之電感電流ILo1為線性斜坡電流，以調整該預設比例。舉例而言，電感L1經由開關Q8、Q2及Q5中之內接二極體串聯於第二電壓V2與接地電位之間，使電感電流IL1得以依照例如圖22A中虛線箭頭所示之電流方向續流，以調整該預設比例。再請繼續參考圖22A，當控制電路1501根據預設比例而調降第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之占空比，於第一程序中，且複數開關(例如開關Q1~Q10)皆不導通時，流經對應之電感L2之電感電流IL2係經由至少一開關(例如開關Q4及Q9)中之內接二極體(body diode)(如圖22A中虛線所示)之導通，而經由諧振槽15022與至少一開關(例如開關Q4及Q9)中之內接二極體(如圖22A中虛線所示)所形成之閉迴路15023續流，進而使得第二狀態為電感電流ILo2停止朝第二電壓V2流動。在此情況下，閉迴路電流(即電感電流IL2)無淨電流流入或流出非諧振電容(亦可稱為輸出電容)CV2。
再請參照圖22B，當控制電路1501根據預設比例而調降第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之占空比，於第二程序中，且複數開關(例如開關Q1~Q10)皆不導通時，對應之電感L2之一端經由至少一開關(例如開關Q10)中之內接二極體(body diode)(如圖22B之虛線所示)而導通於直流電位，以調整該預設比例。舉例而言，電感L2經由開關Q10、 Q3及Q7中之內接二極體串聯於第二電壓V2與接地電位之間，使電感電流IL2得以依照例如圖22B中虛線箭頭所示之電流方向續流，以調整該預設比例。
圖23係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。如圖23所示，本發明之切換電容式電壓轉換電路160包含諧振電容C1~C3、開關Q1~Q10、電感L1~L3。開關Q1-Q3分別與對應之諧振電容C1-C3串聯，而諧振電容C1-C3分別與對應之電感L1-L3串聯。應注意者為，本發明之電源轉換電路中的電容數量並不限於本實施例的三個，亦可為二個或四個以上，且電感數量亦不限於本實施例的三個，亦可為二個或四個以上。
開關Q1-Q10可根據對應之操作訊號，切換所對應之諧振電容C1-C3與電感L1-L3之電連接關係。在第一程序中，開關Q1-Q4係為導通，開關Q5-Q10係為不導通，使得諧振電容C1-C3與電感L1-L3彼此串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，以形成第一電流路徑，以進行充電程序。在第二程序中，電感L1-L3可作為放電電感，開關Q5-Q10係導通，開關Q1-Q4係不導通，使諧振電容C1與對應之電感L1串聯於第二電壓V2與接地電位間，諧振電容C2與對應之電感L2串聯於第二電壓V2與接地電位間，諧振電容C3與對應之電感L3串聯於第二電壓V2與接地電位間，而形成複數第二電流路徑，以進行放電程序。應注意者為，上述第一程序與上述第二程序係於不同的時間段交錯進行，而非同時進行，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。其中，第一程序與第二程序彼此重複地交錯排序，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。於本實施例中，每個 諧振電容C1、C2、C3的直流偏壓均為第二電壓V2，故本實施例中的諧振電容C1、C2、C3需要耐較低的額定電壓，故可使用較小體積的電容器。
本實施例之控制電路1601可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。如圖23所示，當控制電路1601根據預設比例而調降第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之占空比，於第一程序及/或第二程序中，且複數開關(例如開關Q1~Q10)皆不導通時，對應之電感L2及L3之一端分別經由至少一開關(例如開關Q8及Q2與開關Q9及Q3)中之內接二極體(body diode)(如圖23之虛線所示)而導通於直流電位，使得朝第二電壓V2流動之電感電流ILo2及ILo3為線性斜坡電流，以調整該預設比例。舉例而言，電感L2經由開關Q8、Q2、Q3及Q4中之內接二極體串聯於第二電壓V2與接地電位之間，而電感L3經由開關Q9、Q3及Q4中之內接二極體串聯於第二電壓V2與接地電位之間，使電感電流IL2及電感電流IL3得以分別依照例如圖23中虛線箭頭所示之電流方向續流，以調整該預設比例。
於一實施例中，上述第一程序具有一第一諧振頻率，上述第二程序具有一第二諧振頻率。於一較佳實施例中，上述第一諧振頻率與上述第二諧振頻率相同。
於一實施例中，上述切換電容式電壓轉換電路160之第一電壓V1與第二電壓V2之電壓轉換比率可為4：1、3：1或2：1。應注意者為，本實施例係為4：1的電源轉換電路，然而藉由控制開關Q1-Q10的不導通或導通可將本實施例的電源轉換電路改為3：1的電源轉換電路，例如將開關Q7恆導通，並將開關Q4及Q10恆不導通，則可改為3：1的電源轉換電路，改為2：1的電源轉換電路的方式亦同。
圖24係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。本實施例與前一實施例不同在於本實施例係多個諧振電容共用一充電電感或一放電電感，藉此無論諧振電容數量為多少，都只需要一個充電電感及一個放電電感，可進一步減少電感的數量。如圖24所示，本發明之切換電容式電壓轉換電路170包含諧振電容C1~C3、開關Q1~Q10、電感L1~L2。開關Q1-Q3分別與對應之諧振電容C1-C3串聯，而開關Q4與電感L1串聯。應注意者為，本發明之切換電容式電壓轉換電路中的電容數量並不限於本實施例的三個，亦可為二個或四個以上。
開關Q1-Q10可根據對應之操作訊號，切換所對應之諧振電容C1-C3與電感L1及電感L2之電連接關係。在第一程序中，根據第一操作訊號GA，開關Q1-Q4係為導通，開關Q5-Q10係為不導通，使得諧振電容C1-C3彼此串聯後與電感L1串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，以形成一第一電流路徑，以進行充電程序。在第二程序中，根據第二操作訊號GB，開關Q5-Q10係導通，開關Q1-Q4係不導通，使諧振電容C1~C3彼此並聯後串聯電感L2於第二電壓V2與接地電位之間，而形成複數第二電流路徑，以進行放電程序。應注意者為，上述第一程序與上述第二程序係於不同的時間段交錯進行，而非同時進行，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。於本實施例中，每個諧振電容C1、C2、C3的直流偏壓均為第二電壓V2，故本實施例中的諧振電容C1、C2、C3需要耐較低的額定電壓，故可使用較小體積的電容器。
本實施例之控制電路1701可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中，上述第一程序具有一第一諧振頻率，上述第二程序具有一第二諧振頻率。於一較佳實施例中，上述第一諧振頻率與上述第二諧振頻率相同。於另一實施例中，上述第一諧振頻率與上述第二諧振頻率不同。於一實施例中，電感L1之電感值相等於電感L2之電感值。於另一實施例中，電感L1之電感值不同於電感L2之電感值。
圖25係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。本實施例中，充電電感與放電電感可為同一個電感L，如此之設置可更進一步地減少電感的數量。如圖25所示，本發明之切換電容式電壓轉換電路180包含諧振電容C1~C3、開關Q1~Q10、電感L。開關Q1-Q3分別與對應之諧振電容C1-C3串聯，而開關Q4與電感L串聯。應注意者為，本發明之切換電容式電壓轉換電路中的電容數量並不限於本實施例的三個，亦可為二個或四個以上。
須說明的是，在本實施例中，充電電感與放電電感為單一個相同的電感L，在第二程序中，藉由開關Q1-Q10的切換，使諧振電容C1-C3彼此並聯後串聯單一個相同電感L。所謂充電電感與放電電感為單一個相同的電感L，係指在第一程序(亦可稱為充電程序)與第二程序(亦可稱為放電程序)中，充電程序及放電程序中之電感電流IL分別僅流經單一個電感L，而未再流經其他電感元件。
開關Q1-Q10可根據對應之操作訊號，切換所對應之諧振電容C1-C3與電感L之電連接關係。在第一程序中，根據第一操作訊號 GA，開關Q1-Q4係為導通，開關Q5-Q10係為不導通，使得諧振電容C1-C3彼此串聯後與電感L串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，以形成一第一電流路徑，以進行充電程序。在第二程序中，根據第二操作訊號GB，開關Q5-Q10係導通，開關Q1-Q4係不導通，使諧振電容C1~C3彼此並聯後串聯電感L於第二電壓V2與接地電位之間，而形成複數第二電流路徑，以進行放電程序。應注意者為，上述第一程序與上述第二程序係於不同的時間段重複地交錯進行，而非同時進行，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。於本實施例中，每個諧振電容C1~C3的直流偏壓均為第二電壓V2，故本實施例中的諧振電容C1~C3需要耐較低的額定電壓，故可使用較小體積的電容器。
本實施例之控制電路1801可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中，上述切換電容式電壓轉換電路180之第一電壓V1與第二電壓V2之電壓轉換比率可為4：1、3：1或2：1。
於一實施例中，切換電容式電壓轉換電路180之電壓轉換比率可彈性地加以調整，例如於第一程序與第二程序中，藉由選擇將開關Q7恆導通，並選擇將開關Q10及Q4恆不導通，則可將切換電容式電壓轉換電路180之電壓轉換比率調整為3：1。同樣地，例如可選擇將開關Q6恆導通，並選擇將開關Q9、Q3、Q7、Q10及Q4恆不導通，則可將切換電容式電壓轉換電路180之電壓轉換比率調整為2：1。
圖26係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。如圖26所示，本發明之切換電容式電壓轉換電 路190包含諧振電容C1~C2、開關Q1~Q7、電感L。開關Q1-Q2分別與對應之諧振電容C1-C2串聯，而開關Q3與電感L串聯。
開關Q1-Q7可根據對應之操作訊號，切換所對應之諧振電容C1-C2與電感L之電連接關係。在第一程序中，根據第一操作訊號GA，開關Q1-Q3係為導通，開關Q4-Q7係為不導通，使得諧振電容C1-C2彼此串聯後與電感L串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，以形成一第一電流路徑，以進行充電程序。在第二程序中，根據第二操作訊號GB，開關Q4-Q7係導通，開關Q1-Q3係不導通，使諧振電容C1~C2彼此並聯後串聯電感L於第二電壓V2與接地電位之間，而形成複數第二電流路徑，以進行放電程序。應注意者為，上述第一程序與上述第二程序係於不同的時間段重複地交錯進行，而非同時進行，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。於本實施例中，每個諧振電容C1~C2的直流偏壓均為第二電壓V2，故本實施例中的諧振電容C1~C2需要耐較低的額定電壓，故可使用較小體積的電容器。
本實施例之控制電路1901可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中，上述切換電容式電壓轉換電路190之第一電壓V1與第二電壓V2之電壓轉換比率可為3：1或2：1。
圖27係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。如圖27所示，本發明之切換電容式電壓轉換電路200包含諧振電容C3、非諧振電容C1~C2、開關Q1~Q8、電感L。
開關Q1-Q8可根據對應之操作訊號，切換所對應之諧振電容C3、非諧振電容C1~C2與電感L之電連接關係。在第一程序中，根據第一操作訊號GA，開關Q1、Q3、Q5、Q7係為導通，開關Q2、Q4、Q6、Q8係為不導通，使得非諧振電容C1、諧振電容C3與電感L彼此串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，且使得非諧振電容C2之一端耦接於非諧振電容C1與諧振電容C3之間，而非諧振電容C2之另一端耦接至接地電位，以形成一第一電流路徑，以進行充電程序。在第二程序中，根據第二操作訊號GB，開關Q2、Q4、Q6、Q8係導通，開關Q1、Q3、Q5、Q7係不導通，使得諧振電容C3與電感L串聯於第二電壓V2與接地電位之間，而形成第二電流路徑，以進行放電程序。應注意者為，上述第一程序與上述第二程序係於不同的時間段重複地交錯進行，而非同時進行，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。
本實施例之控制電路2001可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。如圖27所示，當控制電路2001根據預設比例而調降第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之占空比，於第一程序及/或第二程序中，且複數開關(例如開關Q1~Q8)皆不導通時，對應之電感L之一端分別經由至少一開關(例如開關Q8及Q7)中之內接二極體(body diode)(如圖27之虛線所示)而導通於直流電位，使得朝第二電壓V2流動之電感電流ILo為線性斜坡電流，以調整該預設比例。
圖28係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。如圖28所示，本發明之切換電容式電壓轉換電路210包含諧振電容C3、非諧振電容C1~C2、開關Q1~Q6、電感L。
開關Q1-Q6可根據對應之操作訊號，切換所對應之諧振電容C3、非諧振電容C1~C2與電感L之電連接關係。在第一程序中，根據第一操作訊號GA，開關Q1、Q3、Q5係為導通，開關Q2、Q4、Q6係為不導通，使得非諧振電容C2與諧振電容C3並聯後與非諧振電容C1及電感L彼此串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，以形成第一電流路徑，以進行充電程序。在第二程序中，根據第二操作訊號GB，開關Q2、Q4、Q6係導通，開關Q1、Q3、Q5係不導通，使得諧振電容C3與電感L串聯於第二電壓V2與接地電位之間，而形成第二電流路徑，以進行放電程序。應注意者為，上述第一程序與上述第二程序係於不同的時間段重複地交錯進行，而非同時進行，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。
本實施例之控制電路2101可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。如圖28所示，當控制電路2101根據預設比例而調降第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之占空比，於第一程序及/或第二程序中，且複數開關(例如開關Q1~Q6)皆不導通時，對應之電感L之一端分別經由至少一開關(例如開關Q5及Q6)中之內接二極體(body diode)(如圖28之虛線所示)而導通於直流電位，使得朝第二電壓V2流動之電感電流ILo為線性斜坡電流，以調整該預設比例。
圖29係根據本發明之再一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。如圖29所示，本發明之切換電容式電壓轉換電路220包含諧振電容C3、非諧振電容C1~C2、開關Q1~Q8、電感L。
開關Q1-Q8可根據對應之操作訊號，切換所對應之諧振電容C3、非諧振電容C1~C2與電感L之電連接關係。在第一程序中，根據第一操作訊號GA，開關Q1、Q2、Q5、Q6係為導通，開關Q3、Q4、Q7、Q8係為不導通，使得非諧振電容C1、諧振電容C3與電感L彼此串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，且使得非諧振電容C2之一端耦接於非諧振電容C1與諧振電容C3之間，而非諧振電容C2之另一端耦接至接地電位，以形成第一電流路徑，以進行充電程序。在第二程序中，根據第二操作訊號GB，開關Q3、Q4、Q7、Q8係導通，開關Q1、Q2、Q5、Q6係不導通，使得諧振電容C3與電感L串聯於第二電壓V2與接地電位之間，而形成第二電流路徑，以進行放電程序。應注意者為，上述第一程序與上述第二程序係於不同的時間段重複地交錯進行，而非同時進行，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。
本實施例之控制電路2201可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。電感電流續流之方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
圖30係根據本發明之又一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。如圖30所示，本發明之切換電容式電壓轉換電路230包含諧振電容C1~C3、開關Q1~Q10、電感L。
開關Q1-Q10可根據對應之操作訊號，切換所對應之諧振電容C1~C3與電感L之電連接關係。在第一程序中，根據第一操作訊號 GA，開關Q1、Q3、Q5、Q8、Q9係為導通，開關Q2、Q4、Q6、Q7、Q10係為不導通，使得諧振電容C1、諧振電容C3與電感L彼此串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，且使得諧振電容C2之一端耦接於諧振電容C1與諧振電容C3之間，而諧振電容C2之另一端耦接至接地電位，以形成第一電流路徑，以進行充電程序。在第二程序中，根據第二操作訊號GB，開關Q2、Q4、Q6、Q7、Q10係導通，開關Q1、Q3、Q5、Q8、Q9係不導通，使得諧振電容C1與諧振電容C2串聯後與諧振電容C3並聯後再與電感L串聯於第二電壓V2與接地電位之間，而形成第二電流路徑，以進行放電程序。應注意者為，上述第一程序與上述第二程序係於不同的時間段重複地交錯進行，而非同時進行，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。
本實施例之控制電路2301可採用圖2A及圖2B之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2A及圖2B之詳細敘述。如圖30所示，當控制電路2301根據預設比例而調降第一操作訊號GA及/或第二操作訊號GB之占空比，於第一程序及/或第二程序中，且複數開關(例如開關Q1~Q10)皆不導通時，對應之電感L之一端經由至少一開關(例如開關Q10及Q9)中之內接二極體(body diode)(如圖30之虛線所示)而導通於直流電位，使得朝第二電壓V2流動之電感電流ILo為線性斜坡電流，以調整該預設比例。
本發明如上所述提供了一種切換電容式電壓轉換電路，其藉由調整占空比及/或操作頻率並使電感電流續流可提高功率轉換效率、可降低切換損耗、可降低對開關及電感之電壓應力、可縮小電感尺寸且可使得輸出電壓為可調整的。
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。
20:切換電容式電壓轉換電路
201:控制電路
202:切換電容轉換器
C1:諧振電容
CV2:非諧振電容
GA:第一操作訊號
GB:第二操作訊號
I1:第一電流
I2:第二電流
Ic1:諧振電容電流
IL,ILo:電感電流
L:電感
Q1~Q4:開關
V1:第一電壓
V2:第二電壓
VC1:諧振電容跨壓

Claims (34)

  1. 一種切換電容式電壓轉換電路，用以將一第一電壓轉換為一第二電壓或將該第二電壓轉換為該第一電壓，該切換電容式電壓轉換電路包含：一切換電容轉換器，耦接於該第一電壓與該第二電壓之間；以及一控制電路，用以產生一控制訊號以控制該切換電容轉換器，而將該第一電壓轉換為該第二電壓或將該第二電壓轉換為該第一電壓；其中該切換電容轉換器包括：至少一諧振電容；複數開關，與該至少一諧振電容耦接；以及至少一電感；其中，該控制電路用以產生該控制訊號，該控制訊號包括一第一操作訊號與一第二操作訊號，其中該第一操作訊號用以操作該複數開關之複數第一開關，且該第二操作訊號用以操作該複數開關之複數第二開關；其中，在一第一程序中，藉由該第一操作訊號控制該複數第一開關的切換，使該至少一諧振電容與對應之該至少一電感串聯於該第一電壓與該第二電壓之間，以形成一第一電流路徑並諧振操作；其中，在至少一第二程序中，藉由該第二操作訊號控制該複數第二開關的切換，使該至少一諧振電容與該至少一電感之對應之其中一者串聯於該第二電壓與一直流電位之間，而同時形成或輪流形成複數第二電流路徑並諧振操作；其中，該複數第一開關之導通期間與該複數第二開關之導通期間彼此不重疊，以使該第一程序與該至少一第二程序彼此不重疊； 其中該控制電路根據一預設比例而調整該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之操作頻率及/或占空比，而將該第一電壓與該第二電壓間之比例，調節於該預設比例；其中，該第一程序與該至少一第二程序彼此重複地交錯排序，以將該第一電壓轉換為該第二電壓或將該第二電壓轉換為該第一電壓；其中當該控制電路根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該至少一第二程序中，且該複數第一開關及/或該複數第二開關導通時，朝該第二電壓流動之電感電流處於一第一狀態，其中該第一狀態為朝該第二電壓流動之該電感電流是諧振電流，當該控制電路根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該至少一第二程序中，流經對應之該至少一電感之該電感電流係經由一電流續流路徑而續流，進而使朝該第二電壓流動之該電感電流處於一第二狀態，使得對應之該至少一電感在該第一狀態與該第二狀態之間進行電感式電源轉換切換。
  2. 如請求項1所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該第二狀態為朝該第二電壓流動之該電感電流是非諧振電流。
  3. 如請求項2所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該第二狀態為該電感電流停止朝該第二電壓流動，或朝該第二電壓流動之該電感電流為一線性斜坡電流。
  4. 如請求項3所述之切換電容式電壓轉換電路，其中於該第一程序及/或該至少一第二程序中，該複數第一開關及該複數第二開關皆不導通時，該電感電流處於該第二狀態，其所流經之該電流續流路徑包括對應之該複數開關中之內接二極體(body diode)。
  5. 如請求項4所述之切換電容式電壓轉換電路，其中當該控制電路根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該至少一第二程序中，且該複數第一開關及該複數第二開關皆不導通時，對應之該至少一電感之一端經由該複數開關之至少一者中之該內接二極體(body diode)而導通於該直流電位，使得朝該第二電壓流動之該電感電流為該線性斜坡電流，以調整該預設比例。
  6. 如請求項4所述之切換電容式電壓轉換電路，其中當該控制電路根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該至少一第二程序中，且該複數第一開關及該複數第二開關皆不導通時，流經對應之該至少一電感之該電感電流係經由該複數開關之至少一者中之該內接二極體(body diode)之導通，而經由一諧振槽及該複製開關之至少一者中之該內接二極體所形成之一閉迴路續流，進而使得該第二狀態為該電感電流停止朝該第二電壓流動，其中該至少一諧振電容及該至少一電感形成該諧振槽。
  7. 如請求項1所述之切換電容式電壓轉換電路，其中於該第一程序及/或該至少一第二程序中，於流經對應之該至少一電感之該電感電流降低至0後，該複數開關保持不導通一零電流時段。
  8. 如請求項2所述之切換電容式電壓轉換電路，更包含一非諧振電容，與該至少一諧振電容之對應之其中一者耦接，其中該非諧振電容之跨壓，於該第一程序與該至少一第二程序中，維持於一固定直流電壓。
  9. 如請求項2所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該第一電壓為該第二電壓的兩倍，且該第一操作訊號與該第二操作訊號具有各自對應之該操作頻率。
  10. 如請求項9所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該第一操作訊號及該第二操作訊號之該占空比皆為50%。
  11. 如請求項2所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該預設比例為該第一電壓與該第二電壓之比值，且該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該操作頻率正相關於該預設比例。
  12. 如請求項2所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該第一操作訊號之該操作頻率高於該第一程序中該至少一諧振電容與對應之該至少一電感之諧振頻率，且該第二操作訊號之該操作頻率高於該至少一第二程序中該至少一諧振電容與該至少一電感之對應之其中一者之諧振頻率。
  13. 如請求項2所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該預設比例為不小於2之正整數。
  14. 如請求項2所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該切換電容轉換器包括散佈式切換電容轉換器(distributed switched capacitor converter)、串並聯式切換電容轉換器(series-parallel switched capacitor converter)、狄克森式切換電容轉換器(Dickson switched capacitor converter)、階梯式切換電容轉換器(ladder switched capacitor converter)、倍壓式切換電容轉換器(doubler switched capacitor converter)、斐波納契式切換電容轉換器(Fibonacci switched capacitor converter)、管線式切換電容轉換器(pipelined switched capacitor converter)或切換腔式轉換器(switched tank converter)。
  15. 如請求項14所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該串並聯式切換電容轉換器(series-parallel switched capacitor converter)包括二分之一串並聯式切換電容轉換器(2-to-1 series-parallel switched capacitor converter)、三分之一串並聯式切換電容轉換器(3-to-1 series-parallel switched capacitor converter)或四分之一串並聯式切換電容轉換器(4-to-1 series-parallel switched capacitor converter)。
  16. 如請求項2所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該直流電位為接地電位。
  17. 如請求項2所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該控制電路包括：一電流感測電路，用以感測流經該至少一電感之電流，以產生至少一電流感測訊號；以及一控制訊號產生電路，與該電流感測電路耦接，用以根據該電流感測訊號以及該預設比例而產生該控制訊號。
  18. 一種切換電容式電壓轉換方法，用以將一第一電壓轉換為一第二電壓或將該第二電壓轉換為該第一電壓，該切換電容式電壓轉換方法包含：以一第一操作訊號操作複數第一開關；以一第二操作訊號操作複數第二開關；在一第一程序中，藉由該第一操作訊號控制該複數第一開關的切換，使至少一諧振電容與對應之一電感串聯於該第一電壓與該第二電壓之間，以形成一第一電流路徑並諧振操作； 在至少一第二程序中，藉由該第二操作訊號控制該複數第二開關的切換，使該至少一諧振電容與對應之該電感串聯於該第二電壓與一直流電位之間，而同時形成或輪流形成複數第二電流路徑並諧振操作；以及根據一預設比例而調整該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之操作頻率及/或占空比，而將該第一電壓與該第二電壓間之比例，調節於該預設比例；其中，該複數第一開關之導通期間與該複數第二開關之導通期間彼此不重疊，以使該第一程序與該至少一第二程序彼此不重疊；其中，該第一程序與該至少一第二程序彼此重複地交錯排序，以將該第一電壓轉換為該第二電壓或將該第二電壓轉換為該第一電壓；其中當根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該至少一第二程序中，且該複數第一開關及/或該複數第二開關導通時，朝該第二電壓流動之電感電流處於一第一狀態，其中該第一狀態為朝該第二電壓流動之該電感電流是諧振電流，當根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該至少一第二程序中，流經對應之該電感之該電感電流係經由一電流續流路徑而續流，進而使朝該第二電壓流動之該電感電流處於一第二狀態，使得對應之該電感在該第一狀態與該第二狀態之間進行電感式電源轉換切換。
  19. 如請求項18所述之切換電容式電壓轉換方法，其中該第二狀態為朝該第二電壓流動之該電感電流是非諧振電流。
  20. 如請求項19所述之切換電容式電壓轉換方法，其中該第二狀態為該電感電流停止朝該第二電壓流動，或朝該第二電壓流動之該電感電流為一線性斜坡電流。
  21. 如請求項20所述之切換電容式電壓轉換方法，其中於該第一程序及/或該至少一第二程序中，該複數第一開關及該複數第二開關皆不導通時，該電感電流處於該第二狀態，其所流經之該電流續流路徑包括該複數第一開關及該複數第二開關之對應之至少一者中之內接二極體(body diode)。
  22. 如請求項21所述之切換電容式電壓轉換方法，其中當根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該至少一第二程序中，且該複數第一開關及該複數第二開關皆不導通時，對應之該電感之一端經由該複數第一開關及該複數第二開關之至少一者中之該內接二極體(body diode)而導通於該直流電位，使得朝該第二電壓流動之該電感電流為該線性斜坡電流，以調整該預設比例。
  23. 如請求項21所述之切換電容式電壓轉換方法，其中當根據該預設比例而調降該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該占空比，於該第一程序及/或該至少一第二程序中，且該複數第一開關及該複數第二開關皆不導通時，流經對應之該電感之該電感電流係經由該複數第一開關及該複數第二開關之至少一者中之該內接二極體(body diode)之導通，而經由一諧振槽及該至少一者中之該內接二極體所形成之一閉迴路續流，進而使得該第二狀態為該電感電流停止朝該第二電壓流動，其中該至少一諧振電容及對應之該電感形成該諧振槽。
  24. 如請求項18所述之切換電容式電壓轉換方法，其中於該第一程序及/或該至少一第二程序中，於流經對應之該電感之該電感電流降低至0後，該複數第一開關及該複數第二開關皆保持不導通一零電流時段。
  25. 如請求項19所述之切換電容式電壓轉換方法，更包含提供一非諧振電容，與該至少一諧振電容之對應之其中一者耦接，其中該非諧振電容之跨壓，於該第一程序與該至少一第二程序中，維持於一固定直流電壓。
  26. 如請求項19所述之切換電容式電壓轉換方法，其中該第一電壓為該第二電壓的兩倍，且該第一操作訊號與該第二操作訊號具有各自對應之該操作頻率。
  27. 如請求項26所述之切換電容式電壓轉換方法，其中該第一操作訊號及該第二操作訊號之該占空比皆為50%。
  28. 如請求項19所述之切換電容式電壓轉換方法，其中該預設比例為該第一電壓與該第二電壓之比值，且該第一操作訊號及/或該第二操作訊號之該操作頻率正相關於該預設比例。
  29. 如請求項19所述之切換電容式電壓轉換方法，其中該第一操作訊號之該操作頻率高於該第一程序中該至少一諧振電容與對應之該電感之諧振頻率，且該第二操作訊號之該操作頻率高於該至少一第二程序中該至少一諧振電容與對應之該電感之諧振頻率。
  30. 如請求項19所述之切換電容式電壓轉換方法，其中該預設比例為不小於2之正整數。
  31. 如請求項19所述之切換電容式電壓轉換方法，更包含提供一切換電容轉換器，該切換電容轉換器提供該複數第一開關、該複數第二開關、該至少一諧振電容以及該電感，其中該切換電容轉換器包括散佈式切換電容轉換器(distributed switched capacitor converter)、串並聯式切換電容轉換器(series-parallel switched capacitor converter)、狄克森式切換電容轉換器 (Dickson switched capacitor converter)、階梯式切換電容轉換器(ladder switched capacitor converter)、倍壓式切換電容轉換器(doubler switched capacitor converter)、斐波納契式切換電容轉換器(Fibonacci switched capacitor converter)、管線式切換電容轉換器(pipelined switched capacitor converter)或切換腔式轉換器(switched tank converter)。
  32. 如請求項31所述之切換電容式電壓轉換方法，其中該串並聯式切換電容轉換器(series-parallel switched capacitor converter)包括二分之一串並聯式切換電容轉換器(2-to-1 series-parallel switched capacitor converter)、三分之一串並聯式切換電容轉換器(3-to-1 series-parallel switched capacitor converter)或四分之一串並聯式切換電容轉換器(4-to-1 series-parallel switched capacitor converter)。
  33. 如請求項19所述之切換電容式電壓轉換方法，其中該直流電位為接地電位。
  34. 如請求項19所述之切換電容式電壓轉換方法，更包含：感測流經該電感之電流，以產生至少一電流感測訊號；以及根據該電流感測訊號以及該預設比例而產生該第一操作訊號及/或該第二操作訊號。
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