TW201008096A - Power supply apparatus - Google Patents

Description

201008096 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本1明係與用以提供電子裝置所需電力之電力供應裝置有 關尤‘-種使用磁性電容（⑽糾咖哪心沉）作為儲能元件之 電力供應裝置。

【先前技術】 、隨著科技進步，各種可攜式電子產品已大量的充斥在日常生 :之中’而由於可攜式電子裝置的重點即在於枝朗者隨身攜 π以及可隨處朗，因此’―般可攜式電子裝置普遍採用電池來 、作所需之電力供應來源。 」料可攜式電子裝置之電池普遍為化學能電池，亦即 其W主要以化學能的方絲行齡，當使㈣觸自化學反應 來產生電w例如錯酸電池、錦锅電池、鎳氫電池以及鐘電池等 等’然而這些傳統電池，若不是有儲能能力不足的缺點，就是有 使用上安全的_。舉例來說，由祕電池具有體積小及能量儲 存密度高的優點’故成為-般可赋電子裝置偏好的電力供應來 源’然而裡電池由於其能量儲存密度高，而導致當電池產生過度 充電及/或過度放電時，極可能遭受到電池自燃、爆裂或是電池劣 . 化的問題，甚至可能因此危害到使用者的安全。 201008096 因此’在可攜式電子裝置大量普及的同時，亟需提供兼顧體 積考量、儲能效率以及具有高度使用安全性的電力供應裝置，以 解決目前可攜式電子裝置之電力供應裝置所面臨的問題。 【發明内容】 ❹ 因此，本發明的目的之—即在於提供-種電力供應裝置，其 =用磁性電谷作為儲能裝置，在提升電力供應裝置的效能的同時 —併解決習知技術中化學電池所面臨的問題。 妓根據本發明之實施例’其係揭露一種電力供應裝S，該電力 :應褒置包含有：—磁性電容裝置以及—保護電路。該磁性電容 ΐ置係包ίΐ至少—磁性電容’制性電容裝置係以電位能的形 =^儲存1里’並產生—輸出電流；雜護電路雛至該磁性電 4置用以防止該磁性電容裝置之輸出電流超過一臨界值。 9由本U所提供之實施例，先前技術所遭遇關題可順利 、十、士、^避t且可獲得技術上的伽或好處。前述係先概略地描 二士^⑽技雜徵與優點贿後續的發瓶明更加狀瞭解， 切額外的技術特徵與相關細_獅於後揭露，並隸屬於 發二r此項技藝者應可瞭解本 特疋貫轭例可輕易地作為實現本發明相同目 、 轉或流程的修改或設計基礎，糾，熟訊項技藝者 201008096 神與後續申請專利範圍 亦可瞭槪些設計變化均未㈣本發明精 所主張之範嘴’故皆;|本發明之涵蓋範圍 【實施方式】 X中描述帛—裝置福接於一第二裝置，則代表該第 、裝置可直接電氣連接於該第二展置，或透過其他裝置或 ❹連接手段賴地電氣連接至㈣二裝置。 由别述可知，本發明的目的之__即在於提供—種電力供應裝 ，曰“減雜電谷作為儲能元件，其係以電位能的形式來儲存 月以具有问儲症密度、長使用壽命、體積小且重量輕薄的特性， 文可取代！知化學錢池，作為各種電子裝置的電力供應來源。 吻參閱第1圖’第1圖所示為本發明具有電力供應裝置1〇5 之電子裝置100之一實施例的示意圖。如第1圖所示，電子裝置 1〇〇包含有-負載裝置15〇以及—電力供應裝置⑽，電力供應裝 置105係用以供應負載裳置15〇所需之電力。此外，電力供應裝 置105内包含有—磁性電容裝置11〇、一保護電路i2〇以及一直流 /直机(DC/DC)轉換器130。在本實施例中，磁性電容裝置丨1〇内包 -有至磁丨生電谷140’藉由磁性電容140使得本發明之電力供 應裴置100彳于以藉由電位能（electr〇nic p〇tential energy )的形式來 • 儲存能量，也就是說，本發明藉由使用磁性電容140來作為電池， 201008096 以提供一種使用電位能形式來儲能之電力供應裝置，而關於磁性 電容的詳細說明將於後續發明說明中揭露之。 接下來將詳細說明磁性電容裝置110的架構以及原理，请、主 思到，本篇說明書後續之揭露中，磁性電容裝置110包含有複數 個磁性電容140,不過此僅為說明之用而不為本發明的限制條:之 一，也就是說，磁性電容140的數目並不為本發明的限制之一， 〇 任何使用磁性電容140來作為儲能元件的電力供應裝置，皆屬於 本發明的保護範轉之中。 此外，根據本發明之一實施例而使用複數個磁容電容140來 構成磁性電容裝置110時，係利用半導體製程於一矽基板上製作 複數個小尺寸的磁性電容140，並藉由適當的金屬化製程，以根據 設計需求於複數個磁性電容140之間形成電連接，以便提供具有 所需特性的磁性電容裝置110作為能量儲存裝置或外部裝置的電 力供應來源。然而，磁性電容裝置110中磁性電容14◦間的麵接 方式以及排列方式並不為本發明的限制條件之一，也就是說，根 據不同的電壓或絲值需求，可制適當的_或並聯形式，以 滿足各種不同電子裝置之電力供應需求。這些相敝計變化亦符 合本發明之精神，且隸屬於本發明的保護範嘴之中。 )月多閱第3圖’第3圖所示為本發明之磁性電容140與其他 $知月b里儲存媒介的儲能特性示意圖。如第3圖所示，磁性電容 8 201008096 刚係㈣讀財心齡能 ，量物介(例如傳統電池μ級能儲存的其 210，磁性電容叫了具備極佳的能量儲^ )或傳統電容 高的功率密度（如圖所 4存㊉如外，更具有極 相較於其他私蝴 ’由於其充分財電容的特性， 壽命長(高充放電次數）I f，本發明之磁性電容⑽更具有 放電等特點。 ““己憶效應、可進行高功率輪蚊快速充 換句話說，本發明之電力供麟置咖 特 用-個或㈣碰心w ⑽·瓶在於使 110)以#纟 '來構献量贿裝i (雖電容裝置 〇)以作為負難置15G之電力來源。她 在的磁她’如此—來’可達到抑制磁性電容刚之漏電流斑提 升極佳的料齡贿，財現—麵之能存 供應來源。 進-步說明磁性電容之操作原理如下。物質在一定磁場產生 電阻值變化的現象，即稱為「磁阻效應」，—般而言，許多磁性金 屬和合金材料都有這種磁電阻現象。在大多數的情況下，物質的 電阻率在磁場中僅會輕微的減小，然而，在某些物理條件下，電 阻率θ產生巨幅的減小，其所減小的幅度比通常磁性金屬與合金 材料的磁電阻值高出10倍以上，稱為「巨磁阻效應」（GMR)。進 一步結合Maxwell-Wagner電路模型，磁性顆粒複合介質中也可能 201008096 產生所謂的魔磁電容(Colossal magneto capacitance,CMC)效應或巨 磁電容(Giant magneto capacitance,GMC)效應。 請參照第1式，第1式描述了傳統電容之電容值C與其相關 係數的關係式。 d (1) 如第1式所述，對一傳統電容而言，其電容值C係由電容之 面積A、介電層之介電常數及厚度d決定。 躲本發明之雖餘14G Μ，主要姻整鶴列的磁偶 極於磁性電容140之上、下磁性電極來形成磁場，使内部儲存的 電子朝同-自旋方向猶來進行整齊的湖，_達到可於磁性 電谷140中容納更多的電荷而大幅增進能量的儲存密度。相較於 於傳統電谷’磁性電容14〇相當於藉由磁場作用來改變介電層別 之介電常數’達到電容值之大幅提升的目的。 :同時參閱第4圖以及第i圖’第4圖所示為根據本發明磁 '電容140的結構示意圖。如第4圖所示，磁性電容_包含 Γ第一磁性電極16G、—第二磁性電極⑽以及位於其間之一介 中第r磁性電極16G與第二磁性電極喝由具磁性 …所構成’藉由對第―、第二磁性電極⑽施加適當的 }〇 201008096 外加電場以進行磁化，使得第一磁性電極16〇與第二磁性電極· 内分別產生第-磁偶極(magnetie dipG_與第二磁输心以 於磁性電容14〇内部構成一磁場而對帶電粒子的移動造成影變， 從而抑制磁性電容14〇之漏電流。至於介電層17〇，則係用來分隔 第一磁性電極與第二磁性電極⑽，以於第一磁性電極膽 與第二磁性電極勘處累積電荷而儲存電位能。 ❹ 此外，在本實施例中，第一磁性電極160與介電層〗70之間 的”面191 ’以及第二磁性電極18〇與介電層間的介面I% 均為一不平坦的表面’以藉由增加介電層170之面積A的方式來 進一步增進磁性電容14〇之電容值。 請繼續參閱第4圖，在本實施例中，第一磁偶極⑹與第二 磁辆極185的方向僅為說明之用而不為本發明的限制條狀一， ❽ '十…白此項技藝者而s，應可瞭解到第一磁偶極與第二磁搞 極185實際上係由多個整齊排列的微小磁偶極所疊加而成，此外， 在本發明之其他實施例中，亦可使用具有其他不同方向的第一磁 偶極165與第二磁麵極185來產生不同的磁場。也就是說，第一 磁偶極165與第二磁輕極185最後形成的方向並不為本發明的限 制條件之―’亦即，隨著不同的設計需求，第-磁偶極I65與第 ，磁搞極185可指向同一方向或不同方向（如第4圖之實施例所 不）而這些相關設計變化亦符合本發明之精神，且隸屬於本發明 • 的保護範嘴之中。 201008096 詳細來說，對於磁性電容140而言，第一磁性電極16〇與第 -磁性電極180可由稀土元素或其他難導電材質構成，而介電 層170可由氧化鈦(Ti〇3)、氧化鋇鈦(BaTi〇3)或一半導體層(如氧 化石夕(silicon oxide))構成，然而這僅為說明之用而不為本發明的限 制條件之-。在本發明之其他實施例中，亦可依據不同的設計需 求而採用不同的材質來構成第一磁性電極16〇、第二磁性電極⑽ 〇 與介電層17Q，而這些侧輯變化亦符合本發明之精神，且隸屬 於本發明的保護範嘴之中。 請一併參閱第5圖以及第4圖，第5圖為第4圖所示之磁性 電容14〇中第一磁性電極16〇的結構示意圖。在本實施例中，磁 性電極可單純地以導電材質來構成—單層結構，然而，磁性電極 亦可以多層結構來加以實現，以第一磁性電極16〇為例，在本實 〇 _中，第-磁性電極議係為一多層結構，包含有一第一磁性 層162、-隔離層164以及一第二磁性層166，其中隔離層164係 由非磁性材料所構成，而第一磁性層162與第二磁性層166則包 含有具磁性的導電㈣，並在磁化時，藉由適當的外加電場使得 第-磁性層⑹與第二磁性層164中的第三磁偶極163與第四磁 偶極167分別具有不同的方向，比方說，第三磁偶極163與第四 磁偶極I67的方向係為彼此反向。藉由調整第一磁性電極中 第三磁偶極163與第四磁偶極167，可抑制磁性電容14〇之漏電 .流。然*，第三磁偶極163與第四磁偶極167的方向僅為說明之 12 201008096 用而不為本發明的限制條件之-。此外，在本發明的其他實施例 中，亦可依據不同的設計需求來調整第一磁性電極16〇的社構。 也就是說第-磁性電極廳的結構，並不限於前述之三層結構， 而可使用複數個磁性層與非磁性層不斷交錯堆疊，再藉由各磁性 層内磁偶極方向的調整來進一步抑制磁性電容14〇之^電流，而 經由適當的調整，則可使得磁性電容14G的漏電流趨近於=。前 Ο 粒些相計變化㈣守本㈣之精神，並落於本發明的保護 範_之中。_ ,、 基於前述之揭露，熟習此項技藝之人士可推知第二磁性電極 ⑽的結構及其設計原理。ώ於磁性電極之内部結構已詳細揭露如 上，在此便不再資述。 請繼續參閱第1圖’相較於習知化學能電池，由於本發明之 〇 電力供應裝置105係採用磁性電容裝置110作為儲能元件，其具 有錄的能量儲存密度、極高的功率密度’且可進行高功率輸/出 及快速充放電。因此-旦發生短路狀況時，不僅是會因持續放電 而造成電力損耗，更會在短時間内將賴存的電位能全部釋放， 而產生瞬間的大電麟出，故可能會導致週邊電路元件損毀。因 此，如第1圖所示，麵接至磁性電容裝置11〇的保護電路⑽即 係用以解決此一問題’藉由保護電路⑽的運作以避免磁性電容 裴置110產生異f (過大）的輸出電流而損害其他電路元件。舉 例來說，在本發明之其他實麵巾，可根據產品之安全設計需求， 201008096 在電力供顧置1G5内職有—轉值，—旦 之輸1流超過此-臨界值（亦即過電流你路的發 路120會職路«，停止雖觸置u峨轉作^此電 避免過大的輸出電流流至電子裝置⑽的其他元件科致電子裝 置100中的其他元件受顺害。也就是說，賴電路m可避免 負載裝置m遭受短路電流的衝擊喊到損害。 ❹ #參閱第2圖，第2圖所示為電子裝置1()()之保護電路105 之一實施例的示意圖。如第2圖所示，-保護電路12G之内可包 含有-伯測單元122 (例如過電流偵測器）、一控制單元124以及 一開關單元126。侧單元〗22綱雜電容裝置11〇的狀態並將 偵測結果告知控制單元124,因此當電力供應裝置1〇5處於一異常 狀態而產生一個超過預設臨界值（過大）之輸出電流（如電力供 應裝置105由於正負極遭金屬物誤觸而產生過電流或短路電流產 _ 生）時’摘測單元122將輸出一偵測訊號以告知控制單元124 (例 如一控制邏輯電路)，則控制單元124可進一步切換開關單元126 的導通狀態來中斷磁性電容裝置11〇的放電，亦即，控制單元124 於偵測單元122偵測到過電流時會控制開關單元126來斷開磁性 電容裝置110與負載裝置之間的電路迴路，一方面避免磁性電容 裝置110持續放電，另一方面避免所產生之大輸出電流對周邊元 件造成損害而影響電子裝置1〇〇的運作6 值得注意的是本發明的中保護電路丨2 〇並不限於使用前述實 14 201008096 婦丨t之電路架構，而可藉由各觀當的電路元件或其組合來限 制電^以達到防護之效果。舉例來說，在本發明之一實施例中， 保。蒦電路120可包含有一電流限制元件，例如一炫絲(㈣，當磁 性電容裝置100之輪出電流超過預設值（臨界值）時，溶絲則會 自祕斷，藉此達到限制電流以保護電子裝置100之目的。除此 之外在本發明之另一實施例中，保護電路⑽係包含有一自復 式（resettable )電流限制元件，例如一熱敏電阻(Th_g Resis㈣， ❹使其在大電騎鱗_，而讀又可自雜復，進行正常操作。 /繼續參閱第1圖，在本實施例中，直流/直流（DC/DC)轉 換器麵接於磁性電容裝置則以及負載裝置150，直流/直流 轉換器130係用以將由磁性電容裝£ 11〇所輸出之一第一直流位 2則轉換為—第二直流辦v〇2，以滿足貞餘置⑼之電力 品长舉例來„兒，當負載裝置ls〇所需之供應電壓 直流電壓值）V〇2高於磁性電容裝請之輸_的丰一(電 鳇其為一直流電壓值）ν〇1時，直流/直流轉換器130則可 ^輸麵繩辦，料自健m辦彻轉換 '、、、、载裝置150所需的較高之第二直流位準v〇2。反之亦然，若 力供應裝置1〇5的負載裝置150所需的供應電壓彻低 =性電容裝置U0之輸出電壓的一電壓位準彻 产 = = 電壓之電卿爾由較高之第‘ ,1轉換為具雜㈣壓值之第二直流位準V02。 15 201008096 請注意到，雖然在前述之揭露中，本發明提供之電力供應裝 置=係包含有磁性電容裝置11〇、保護電路12〇以及直流/直流 轉換益130 ’細這並不林㈣的關條件之—。在電力供應裝 f 構’比方說對磁性電容裝置則 進行充電之一充電電路（未顯示）。 μ在閱，述之揭露之後，蝴領域之人士亦可推得其他的相 ❹關設計變化，例如其他雷_本發明之精神以使用磁性電容刚 於電力ί、應裝置1〇5中的架構，亦屬於本發明的保護範嘴之中。 a此外’本發明的範_並不受限於上述實施例所揭露的程序、 I置、製程、組合、物件、綠辭驟’㈣悉此項技術者應可 瞭解’本發明所揭露的程序、裝置、製程、組合、物件、方法或 步驟，無論其魏有的献正在開發的，如果是可以達到和本發 明所義實關大致上囉的功能或絲均可林發明實施例所 β 採用，因此’本發_中請專利範圍係包含了上述所揭露的程序、 裝置、製程、組合、物件、方法或步驟。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範 圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 16 201008096 第1圖為本發明具㈣力供顧置之電子心之—實施例的示意 圖。 為電子裝置觸之保護電路1〇5之一實施例的示意圖。 第3 =柄明磁性電容與其他私能量儲存媒介的儲能特性示 思圖。 第4圖為根據本發明磁性電容的結構示意圖。 ❹

第5圖為第4圖所示之第—磁性電極的結構示意圖。 【主要元件符號說明】 100 電子裝置 105 電力供應裝置 110 磁性電容裝置 120 保護電路 122 偵測單元 124 控制單元 126 開關單元 130 直流/直流轉換器 140 磁性電容 150 負载裝置 160 第一磁性電極 162 磁性層 164 隔離層 201008096 163 166 167 165 170 180 185 5191 、 192 210 220 230 第三磁偶極 第二磁性層 第四磁偶極 第一磁柄極 介電層 第二磁性電極 第二磁搞極 介面 傳統電容 超級電容 一般電池

Claims (1)

1. 201008096 十、申請專利範圍： =電力供麟置’㈣供―輸恤至，裝置，其包 磁，包含有至少—磁性電容，其以電位能的形式 來儲存此置，用以產生該輪出電流；以及 一保濩電路姻至該磁性_置，用以防止該磁性電容裝 置之5亥輸出電流超過一臨界值。 ❹ 2·如申睛專利範圍第丨項所述之電力供應裝置，其另包含有一直 l直机（DC/DC)轉換n ’输至該磁性電容裝置與該負載裝 置1以將該磁性電容裝置所輸出之—第一直流位準轉換為一 第-直•位準，以作為該負载裝置所需之電源，其中該第一直 流位準係相異於該第二直流位準。 ❹ 3.如申請專利翻第1項所述之電力供應裝置，其中該磁性 裝置係包含有複數個磁性電容。 電容 4. 如申請專概圍第3項騎之電力供應裝置，其巾該複數個磁 性電容包含有以串聯方式電連接之磁性電容。 5. 如申請專利範圍第3項所述之電力供應裝置，其中該複數個磁 性電谷包含有以並聯方式電連接之磁性電容。 19 201008096 其中該磁性電容包 6.如申請專利範圍帛1項述之電力供應裝置 含有： 、 一第一磁性電極，其係由具有磁性 一第一磁偶極； 之導電材料構成 ，用以形成 ::磁:電極，其係由具有磁性之導電材料構成，用以形成 具有一弟二磁偶極；以及 Ο 介電層’設置於該第—磁性電極與該第二磁性電極之間。 如申請專概31第6撕叙電力供顧置，射該第-磁偶 極之方向係顧於該第二磁偶極之方向。 申明專利feu第6項所述之電力供應裝置，其中該第一磁性 電極係包含有： 第-磁性層’其係由具雖的導電材料祕，用以形成具有 〇 一第三磁偶極； 第磁f生層’其係由具磁性的導電材料構成，用以形成一第 四磁偶極；以及 隔離層其係由非磁性物質所構成並設置於該第一磁性層與 邊第二磁性層之間，其中該第一磁偶極係由該第三磁偶極 與該第四磁偶極所構成。 =申凊專利範圍第8項所述之電力供應裝置，其中該第三磁偶 °之方向係相異於該第㈣偶極之方向。 20 201008096 10. 如申請專利範圍第6項所述之電力供應裝置，其中該第—卜 二磁性電極中至少其一與該介電層之介面係為一不平担之^ 面。 11. 如申請專利範圍第1項所述之電力供應裝置’其中該保護電路 係包含有： ” 一偵測單元，用以偵測該磁性電容裝置之該輸出電流以產生 Ο 一偵測訊號； 一控制單元，用以根據該偵測訊號來選擇性地輸出一控制訊 號；以及 一開關單元，用以根據該控制訊號來決定是否開啟或關閉該 磁性電容裝置與該負載裝置之間的電路迴路。 12. 如申請專利範圍第1項所述之電力供應裝置，其中該保護電路 係包含有一電流限制元件。 Ο 13. 如申請專利範圍第12項所述之電力供應裝置，其中該電流限 制元件係為一溶絲(fUse)。 14. 如申請專利範圍第12項所述之電力供應裝置，其中該電流限 制元件係為一自復式(resettable)電流限制元件。 15·如申請專利範圍第Η項所述之電力供應裝置，其中該自復式 , 電流限制元件係一熱敏電阻(Thermal Resistor)。 21