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TWI818731B - 切換電容式電壓轉換電路及切換電容轉換器控制方法 - Google Patents

切換電容式電壓轉換電路及切換電容轉換器控制方法 Download PDF

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TWI818731B
TWI818731B TW111135074A TW111135074A TWI818731B TW I818731 B TWI818731 B TW I818731B TW 111135074 A TW111135074 A TW 111135074A TW 111135074 A TW111135074 A TW 111135074A TW I818731 B TWI818731 B TW I818731B
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劉國基
楊大勇
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立錡科技股份有限公司
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Abstract

一種切換電容式電壓轉換電路及切換電容轉換器控制方法，其中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。切換電容轉換器包括至少一諧振電容、複數開關及至少一電感。控制電路根據第一電壓或第二電壓而產生脈寬調變訊號，且控制電路根據脈寬調變訊號與零電流偵測訊號，產生控制訊號以控制切換電容轉換器，操作對應之複數開關，以切換所對應之電感之電連接關係，而將第一電壓轉換為第二電壓或將第二電壓轉換為第一電壓。

Description

切換電容式電壓轉換電路及切換電容轉換器控制方法
本發明係有關於一種切換電容式電壓轉換電路及切換電容轉換器控制方法，特定而言係有關於一種以脈寬調變訊號與零電流偵測訊號控制之切換電容式電壓轉換電路及切換電容轉換器控制方法。
電機電子工程師學會(IEEE)應用電源電子研討會在2005年的一篇論文：「用於射頻功率放大器之封包追踪的三位準降壓轉換器」(“Three-Level Buck Converter for Envelope Tracking in RF Power Amplifiers”)，提出了一種三位準降壓轉換器用於封包追踪應用，例如用於射頻功率放大器中的封包追踪；為了實現高效率和高功率密度，飛馳電容器(flying capacitor)的跨壓必須調節於輸入電壓的一半。
圖1A係顯示一習知美國專利US 9,917,517B1之切換式槽轉換器(switched tank converter,STC)。此習知STC可以實現高效率的功率轉換，但它是非調節穩壓的分壓器；當輸入電壓升高時，其輸出電壓也會升高，而無法穩定調節輸出電壓。
圖1B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升高。
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及切換電容轉換器控制方法。
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，用以根據該第一電壓或該第二電壓而產生一脈寬調變訊號，且該控制電路根據該脈寬調變訊號與一零電流偵測訊號，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，當該第一電壓轉換為該第二電壓時，該控制訊號包括一單向導通操作訊號、一第一操作訊號及一第二操作訊號，以分別對應一單向導通程序、一第一程序及一第二程序，進而用以操作對應之該複數開關，以切換所對應之該電感之電連接關係；其中，當該第一電壓轉換為該第二電壓時，該控制電路根據該第二電壓而產生該脈寬調變訊號，且該單向導通程序、該第一程序及該第二程序之操作 方式如下：在該單向導通程序中，藉由該單向導通操作訊號控制該複數開關的切換，以於一第一直流電位與該第二電壓間形成一單向導通路徑，而使流經該電感之一電感電流係經由該單向導通路徑流向該第二電壓；在該第一程序中，藉由該第一操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之該諧振電容與對應之該電感串聯於該第二電壓與一第二直流電位之間，而形成一第一電流路徑，以使流經該電感並流向該第二電壓之該電感電流為具有一第一諧振頻率之諧振電流；在該第二程序中，藉由該第二操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之該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，以形成一第二電流路徑，以使流經該電感並流向該第二電壓之該電感電流為具有一第二諧振頻率之諧振電流；其中，該單向導通操作訊號、該第一操作訊號與該第二操作訊號，分別於各自對應之一段致能期間，切換至一致能位準，且該複數段致能期間彼此不重疊，以使該單向導通程序、該第一程序及該第二程序彼此不重疊；其中，該單向導通程序、該第一程序及該第二程序接連排序為一組合後重複該組合，以使該電感在該單向導通程序、該第一程序及該第二程序之間進行電感式電源轉換切換，進而將該第一電壓轉換為該第二電壓；其中，該控制電路更根據該電感電流到達零電流之時點，而產生該零電流偵測訊號。
於另一觀點中，本發明提供一種切換電容轉換器控制方法，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，該切換電容轉換器控制方法包括：根據該第一電壓或該第二電壓而產生一脈寬調變訊號；根據一電感電流到達零電流之時點，而產生一零電流偵測訊號；以及根據該脈寬調變訊號與該零電流偵測訊號，產生一控制訊號以控制一切換電容轉換器，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，當該第一電壓轉換為該第二電壓時，該脈寬調變訊號根據該第二電壓而產生，且該控制訊號包括一單向導通操作訊號、一第一操作訊號及一第二操作訊號，以分別對應一單向導通程序、一第一程序及一第二程序，進而用以操作對應之複數開關，以切換所對應之一電感之電連接關係；其中，當該第一電壓轉換為該第二電壓時，該單向導通程序、該第一程序及該第二程序之操作方式如下：在該單向導通程序中，藉由該單向導通操作訊號控制該複數開關的切換，以於一第一直流電位與該第二電壓間形成一單向導通路徑，而使流經該電感之該電感電流係經由該單向導通路徑流向該第二電壓；在該第一程序中，藉由該第一操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之一諧振電容與對應之該電感串聯於該第二電壓與一第二直流電位之間，而形成一第一電流路徑，以使流經該電感並流向該第二電壓之該電感電流為具有一第一諧振頻率之諧振電流；在該第二程序中，藉由該第二操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之該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，以形成一第二電流路徑，以使流經該電感並流向該第二電壓之該電感電流為具有一第二諧振頻率之諧振電流；其中，該單向導通操作訊號、該第一操作訊號與該第二操作訊號，分別於各自對應之一段致能期間，切換至一致能位準，且該複數段致能期間彼此不重疊，以使該單向導通程序、該第一程序及該第二程序彼此不重疊；其中，該單向導通程序、該第一程序及該第二程序接連排序為一組合後重複該組合，以使該電感在該單向導通程序、該第一程序及該第二程序之間進行電感式電源轉換切換，進而將該第一電壓轉換為該第二電壓。
於一實施例中，該控制電路包括：一脈寬調變電路，用以於該第一電壓轉換為該第二電壓時，根據該第二電壓產生該脈寬調變訊號，並於該第二電壓轉換為該第一電壓時，根據該第一電壓產生該脈寬調變訊號；一零電流偵測電路，用以於該電感電流到達該零電流之時點，產生該零電流偵測訊號；以及一控制訊號產生電路，用以根據該脈寬調變訊號與該零電流偵測訊號，產生該控制訊號，並根據該控制訊號，分別於該單向導通程序、該第一程序及該第二程序中，產生對應於該複數開關的複數開關操作訊號。
於一實施例中，該單向導通程序、該第一程序及該第二程序組成一切換週期，且該切換週期中之該單向導通程序、該第一程序及該第二程序的排列順序可任意組合，且該切換週期中的最早的程序之結束時點由該脈寬調變訊號決定，且該切換週期中除了最早的程序外的其他程序之結束時點由該零電流偵測訊號決定。
於一實施例中，該單向導通程序中，該電感電流為下列其中之一：該電感電流為具有一第三諧振頻率之諧振電流；或該電感電流為非諧振電流；其中當該電感電流為該非諧振電流時，該電感電流為逐漸降低之一線性斜坡電流，或為逐漸升高之另一線性斜坡電流。
於一實施例中，於該單向導通程序中，該電感電流為非諧振電流，且為逐漸降低之該線性斜坡電流，該單向導通路徑包括該電感電流所流經之不導通狀態的至少一該開關中之內接二極體(body diode)。
於一實施例中，於該單向導通程序中，該單向導通路徑包括該電感電流所流經之導通狀態的至少一該開關。
於一實施例中，該第一直流電位為該第一電壓或一接地電位，且該第二直流電位為該第一電壓或該接地電位。
於一實施例中，該脈寬調變電路包括：一鎖定電路，用以將該第二電壓鎖定於一參考電壓而產生一電壓鎖定訊號；一斜坡電路，用以產生一斜坡訊號；以及一比較電路，用以比較該電壓鎖定訊號及該斜坡訊號而產生該脈寬調變訊號。
於一實施例中，該斜坡電路包括一重置電路，用以根據該控制訊號或一時脈訊號重置該斜坡訊號。
於一實施例中，該控制訊號調整該第一程序及/或該第二程序之該致能期間，以達到柔性切換(soft switching)之零電壓切換或零電流切換。
於一實施例中，該切換週期為一固定期間。
於一實施例中，於該切換週期之該單向導通程序、該第一程序及該第二程序皆結束後，該複數開關皆保持不導通一零電流時段至該固定期間結束。
於一實施例中，該切換電容式電壓轉換電路更包括一非諧振電容，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，當該第二電壓轉換為該第一電壓時，該控制電路根據該第一電壓產生該脈寬調變訊號，以產生該控制訊號，而將該第二電壓轉換為該第一電壓；其中當該第二電壓轉換為該第一電壓時，該控制訊號包括一反單向導通操作訊號、一第三操作訊號及一第四操作訊號，以分別對應一反單向導通程序、一第三程序及一第四程序，而操作對應之該複數開關，以切換所對應之該電感之電連接關係；其中，當將該第二電壓轉換為該第一電壓時，該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序之操作方式如下：在該反單向導通程序中，藉由該反單向 導通操作訊號控制該複數開關的切換，以於一第三直流電位與該第一電壓間形成一反單向導通路徑，而使流經該電感之該電感電流係經由該反單向導通路徑流向該第一電壓；在該第三程序中，藉由該第三操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之該諧振電容與對應之該電感串聯於該第一電壓與一第四直流電位之間，而形成一第三電流路徑，以使流經該電感並流向該第一電壓之該電感電流為具有一第四諧振頻率之諧振電流；在該第四程序中，藉由該第四操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之該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，以形成一第四電流路徑，以使流經該電感並流向該第一電壓之該電感電流為具有一第五諧振頻率之諧振電流；其中，該反單向導通操作訊號、該第三操作訊號與該第四操作訊號，分別於各自對應之一段致能期間，切換至該致能位準，且該複數段致能期間彼此不重疊，以使該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序彼此不重疊；其中，該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序接連排序為一組合後重複該組合，以使該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序之間進行電感式電源轉換切換，進而將該第二電壓轉換為該第一電壓。
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)或切換腔式轉換器(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)或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，該第三直流電位為該第二電壓或一接地電位，且該第四直流電位為該第二電壓或該接地電位。
於一實施例中，該零電流偵測電路包括：一電流感測電路，用以感測流經該至少一電感之電流，以產生對應之至少一電流感測訊號；以及一比較器，與該電流感測電路耦接，用以比較該至少一電流感測訊號與一參考訊號，而產生對應之至少一該零電流偵測訊號，以示意該至少一電感電流到達該零電流的時點。
於一實施例中，該組合包括二個該單向導通程序、該第一程序及該第二程序，其中該二個該單向導通程序、該第一程序及該第二程序組成一切換週期，且該切換週期中之該二個該單向導通程序、該第一程序及該第二程序的排列順序可任意組合，且該切換週期中的最早的程序之結束時點由該脈寬調變訊號決定，且該切換週期中除了最早的程序外的其他程序之結束時點由該零電流偵測訊號決定。
於一實施例中，該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序組成一切換週期，且該切換週期中之該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序的排列順序可任意組合，且該切換週期中的最早的程序之結束時點由該脈寬調變訊號決定，且該切換週期中除了最早的程序外的其他程序之結束時點由該零電流偵測訊號決定。
於一實施例中，該反單向導通程序中，該電感電流為下列其中之一：該電感電流為具有一第六諧振頻率之諧振電流；或該電感電流為非諧振電流；其中當該電感電流為該非諧振電流時，該電感電流為逐漸降低之一線性斜坡電流，或為逐漸升高之另一線性斜坡電流。
於一實施例中，該第三直流電位為該第二電壓或一接地電位，且該第四直流電位為該第二電壓或該接地電位。
於一實施例中，該切換週期為一固定期間，其中於該切換週期之該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序皆結束後，該複數開關皆保持不導通一零電流時段至該固定期間結束。
本發明之優點在於本發明可不需將諧振電容電壓平衡於二分之一輸入電壓、可達成零電流切換及零電壓切換以降低切換功率損耗、可使用較小的電感以降低電感尺寸、可達到對開關、諧振電容及電感具有較低的電壓應力、與具有固定電壓轉換比例之諧振切換電容式轉換電路相比可調整輸出電壓，且可具有較高的效率。
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
20,40,50,60,70,80,90,100,110,120,120b,130,140,150,160,170,180,190,200,210,220,230,240:切換電容式電壓轉換電路
201,201’,201”,201''',401,501,601,701,801,901,1001,1101,1201,1301,1401,1501,1601,1701,1801,1901,2001,2101,2201,2301,2401:控制電路
2011,3011:脈寬調變電路
20111,30111:鎖定電路
20112,30112:斜坡電路
20113,30113:比較電路
20114,30114:重置電路
201141,301141:或閘
201142,301142:脈衝產生器
201143:反閘
2012:零電流偵測電路
2012’,2012”:零電流估計電路
20121:電流感測電路
20121’:電壓偵測電路
20121”:峰谷偵測電路
20122,20124’:比較器
20122’:計時電路
20123’:斜坡電路
2013,3013:控制訊號產生電路
20131a,20131b,20131c,30131a,30131b,30131c,30131d:正反器
20132a,20132b,20132c,20132d,30132a,30132b,30132c,30132d,30132e,30132f:及閘
20133a,20133b,20133c,30133a,30133b,30133c,30133d:脈衝產生器
20134,30134a,30134b:反閘
20135a,20135b,30135a,30135b:或閘
20136a,20136b,20136c,20136d,30136a,30136b,30136c,30136d:緩衝器
2014:邏輯電路
202,402,502,602,702,1602,1702,1802,1902,2002,2102,2202,2302,2402:切換電容轉換器
5021,5022,8021,8022,8031,8032,12021,12022,12031,12032,16021,16022:諧振槽
5023,5024,8023,8024,8033,8034,12023,12024,12033,12034,16023:閉迴路
7021:變壓器
802,902,1002,1102,1202,1202b,1302,1402,1502:第一切換電容轉換器
803,903,1003,1103,1203,1203b,1303,1403,1503: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
CINT,Crp:電容
CLK:時脈訊號
CV1,CV2:非諧振電容
EAO:電壓鎖定訊號
GA:第一操作訊號
GB:第二操作訊號
Gu,Gu1,Gu2:單向導通操作訊號
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
Is,Is1,Is2:電流源
L,L1,L11,L12,L2,L3:電感
Lgc-H:訊號
LX:切換節點
LX1,LX11:第一切換節點
LX2,LX12:第二切換節點
Q1~Q21,Q28,Srp:開關
S1~S21,S28:開關操作訊號
Spwm:脈寬調變訊號
Szc:零電流偵測訊號
t0~t5:時點
T1:時段
T2,T3,Td:延遲時間
TG1,TG2,TG3,TGA1,TGA2,TGA3,TGA4:中介訊號
TN:負電壓期間
TP:正電壓期間
Tsw:切換週期
V1:第一電壓
V2:第二電壓
V2’:第二電壓相關訊號
VC1,VC2,VC3:跨壓
VD:電壓偵測訊號
VL:電壓差
VLa,VLb:電壓
Vramp,VT:斜坡訊號
Vref1:參考電壓
Vref2:參考訊號
Vth0:零電流閾值
Vx:電壓
圖1A係顯示一習知美國專利US 9,917,517B1之切換式槽轉換器。
圖1B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切換電容式電壓轉換電路之電路示意圖。
圖2D係根據本發明之一實施例顯示控制訊號產生電路2013中之邏輯電路之電路示意圖。
圖3A係根據本發明之一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中脈寬調變電路之電路示意圖。
圖3B係根據本發明之一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中脈寬調變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切換電容式電壓轉換電路之控制電路中零電流偵測電路的電路方塊圖。
圖3D~圖3E係根據本發明之數個實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中零電流偵測電路的電路方塊圖。
圖3F係根據本發明之一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中零電流偵測電路的電路示意圖。
圖3G係根據本發明之一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中零電流偵測電路之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖3H係根據本發明之一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中控制訊號產生電路之電路示意圖。
圖3I~圖3K顯示根據本發明之切換電容式電壓轉換電路的數個實施例的操作波形圖。
圖3L係根據本發明之一實施例顯示圖2A之切換電容式電壓轉換電路利用圖3A之脈寬調變電路時之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖4A係根據本發明之另一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中脈寬調變電路之電路示意圖。
圖4B係根據本發明之一實施例顯示圖4A之切換電容式電壓轉換電路之控制電路中脈寬調變電路之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖4C係根據本發明之另一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中控制訊號產生電路之電路示意圖。
圖4D係根據本發明之一實施例顯示圖2A之切換電容式電壓轉換電路利用圖4A之脈寬調變電路時之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖4E係根據本發明之另一實施例顯示當圖2A之切換電容式電壓轉換電路利用圖3A之脈寬調變電路且單向導通程序採單向導通至接地電位時之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖4F係根據本發明之另一實施例顯示當圖2A之切換電容式電壓轉換電路利用圖4A之脈寬調變電路且單向導通程序採單向導通至接地電位時之相關訊號之訊號波形示意圖。
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。
圖6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18A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18B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22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。
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。圖2B係根據本發明之一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路之電路方塊圖。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。如圖2B所示，控制電路201根據第一電壓V1或第二電壓V2而產生脈寬調變訊號Spwm，且控制電路201根據脈寬調變訊號Spwm與零電流偵測訊號Szc，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Q1~Q4以及至少一電感L。電感L與諧振電容C1耦接。複數開關Q1~Q4與諧振電容C1耦接。
請同時參照圖2A及圖3B，控制電路201用以產生控制訊號，控制訊號包括單向導通操作訊號Gu、第一操作訊號GA及第二操作訊號GB，以分別對應單向導通程序、第一程序及第二程序，進而產生開關操作訊號S1~S4，而操作對應之複數開關Q1~Q4，以切換所對應之電感L之電連接關係。
當第一電壓V1轉換為第二電壓V2時，控制電路201中的脈寬調變電路2011根據第二電壓V2而產生脈寬調變訊號Spwm，且單向導通程序、第一程序及第二程序之操作方式敘述如下：
在該單向導通程序中，藉由單向導通操作訊號Gu控制複數開關Q1~Q4的切換，以於第一直流電位與第二電壓V2間形成單向導通路徑，而使流經電感L之電感電流IL係經由單向導通路徑流向第二電壓V2。在本實施例中，第一直流電位例如但不限於為第一電壓V1；在其他 實施例中，第一直流電位例如為接地電位。其中，單向導通操作訊號Gu用以於單向導通程序中之一段第一致能期間Ten1，操作複數開關Q1~Q4之開關Q1及Q3導通，且開關Q2及Q4不導通，意即於單向導通程序中，單向導通操作訊號Gu切換至致能位準(例如圖3B所示之高位準)一段第一致能期間Ten1，以致能開關操作訊號S1及S3切換至導通位準且開關操作訊號S2及S4切換至不導通位準，以將電感L之一端(電壓Vx端)電連接至第一電壓V1。
在一第一程序中，藉由第一操作訊號GA控制複數開關Q1~Q4的切換，使對應之諧振電容C1與對應之電感L串聯於第二電壓V2與第二直流電位之間，而形成一第一電流路徑，以使流經電感L並流向第二電壓V2之電感電流IL為具有第一諧振頻率之諧振電流。在本實施例中，第二直流電位例如但不限於為接地電位；在其他實施例中，第二直流電位例如為第一電壓V1。其中，第一操作訊號GA用以於第一程序中之一段第二致能期間Ten2，操作複數開關Q1~Q4之開關Q3及Q4導通且開關Q1及Q2不導通，意即於第一程序中，第一操作訊號GA切換至致能位準一段第二致能期間Ten2，以致能開關操作訊號S3及S4切換至導通位準且開關操作訊號S1及S2切換至不導通位準，以將諧振電容C1與對應之電感L串聯於第二電壓V2與接地電位之間。
在第二程序中，藉由第二操作訊號GB控制複數開關Q1~Q4的切換，使對應之諧振電容C1與對應之電感L串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，以形成第二電流路徑，以使流經電感L並流向第二電壓V2之電感電流IL具有第二諧振頻率之諧振電流。其中，第二操作訊號GB用以於第二程序中之一段第三致能期間Ten3，操作複數開關Q1~Q4之開關Q1及Q2導通且開關Q3及Q4不導通，意即於第二程序中， 第二操作訊號GB切換至致能位準一段第三致能期間Ten3，以致能開關操作訊號S1及S2切換至導通位準且開關操作訊號S3及S4切換至不導通位準，以將諧振電容C1與對應之電感L串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間。
在本實施例中，單向導通操作訊號Gu、第一操作訊號GA與第二操作訊號GB，如圖3B所示，分別於各自對應之一段致能期間，切換至致能位準，且該複數段致能期間彼此不重疊，以使單向導通程序、第一程序及第二程序彼此不重疊。
在本實施例中，如圖3B所示，單向導通程序、第一程序及第二程序接連排序為一組合後重複此組合，以使電感L在單向導通程序、第一程序及第二程序之間進行電感式電源轉換切換，進而將第一電壓V1轉換為第二電壓V2。其中，如圖3B所示，控制電路201更根據電感電流IL到達零電流之時點，而產生零電流偵測訊號Szc。
在單向導通程序中，於一實施例中，朝第二電壓V2流動之電感電流IL是具有第三諧振頻率之諧振電流，其中第三諧振頻率可以與第一程序中的第一諧振頻率及第二程序之第二諧振頻率不同或與其中之一相同。其中，第一諧振頻率與第二諧振頻率也可以相同或不同，視第一電流路徑與第二電流路徑各別所耦接之電感與電容而定。
在單向導通程序中，於另一實施例中，朝第二電壓V2流動之電感電流IL為非諧振電流。於電感電流IL為非諧振電流之一實施例中，朝第二電壓V2流動之電感電流IL為逐漸降低之線性斜坡電流。於電感電流IL為非諧振電流之另一實施例中，朝第二電壓V2流動之電感電流IL為逐漸升高之線性斜坡電流。
在一種實施例中，單向導通程序、第一程序及第二程序組成一切換週期Tsw，且該切換週期Tsw中之單向導通程序、第一程序及第二程序的排列順序可任意組合(如本實施例之排列順序依次為單向導通程序、第一程序及第二程序)，且切換週期Tsw中的最早的程序(在本實施例中為單向導通程序)之結束時點，如圖3B所示，由脈寬調變訊號Spwm決定；且切換週期Tsw中除了最早的程序外的其他程序之結束時點，如圖3B所示，由零電流偵測訊號Szc決定。應注意者為，在一切換週期Tsw中，單向導通程序、第一程序及第二程序之次數均不受限定，也不限制其排列的方式，只要符合最早的程序之結束時點係由脈寬調變訊號Spwm決定，之後的程序之結束時點係由零電流偵測訊號Szc決定即可。
請同時參照圖2A、2B及3B，控制電路201包括脈寬調變電路2011、零電流偵測電路2012以及控制訊號產生電路2013。脈寬調變電路2011用以根據第一電壓V1或第二電壓V2產生脈寬調變訊號Spwm。零電流偵測電路2012用以於電感電流IL到達零電流之時點，產生零電流偵測訊號Szc。控制訊號產生電路2013與零電流偵測電路2012耦接，用以根據脈寬調變訊號Spwm與零電流偵測訊號Szc，產生控制訊號，並根據控制訊號，分別於單向導通程序、第一程序及第二程序中，產生對應於複數開關Q1~Q4的複數開關操作訊號S1-S4。
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20之電路示意圖。請參照圖2C，在單向導通程序中，藉由單向導通操作訊號Gu控制複數開關Q1~Q4的切換(例如開關Q1及Q3導通，且開關Q2及Q4不導通)，於第一電壓V1與第二電壓V2間形成單向導通路徑，使朝第二電壓V2流動之電感電流IL係經由單向導通路徑(如圖2C中之虛 點折線箭號所示)而流向第二電壓V2，其中電感電流IL為逐漸升高之線性斜坡電流。
再請參照圖2C及3B，於第一程序中，藉由第一操作訊號GA控制複數開關Q1~Q4的切換(例如開關Q3及Q4導通，且開關Q1及Q2不導通)，於接地電位與第二電壓V2間形成第一電流路徑，使朝第二電壓V2流動之電感電流IL為經由第一電流路徑(如圖2C中之虛折線箭號所示)而流向第二電壓V2，其中電感電流IL是具有第一諧振頻率之諧振電流。
再請參照圖2C及3B，於第二程序中，藉由第二操作訊號GB控制複數開關Q1~Q4的切換(例如開關Q1及Q2導通，且開關Q3及Q4不導通)，於第一電壓V1與第二電壓V2間形成第二電流路徑，使朝第二電壓V2流動之電感電流IL為經由第二電流路徑而流向第二電壓V2，其中電感電流IL是具有第二諧振頻率之諧振電流，在本實施例中，第一諧振頻率與第二諧振頻率相等。
上述單向導通路徑可以有各種實施方式，舉例而言，請參照圖2C及4E，在單向導通程序中(如圖4E所示時點t1-t2的期間)，藉由單向導通操作訊號Gu控制複數開關的切換，例如使開關Q1、Q2、Q3及Q4皆不導通，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)之單向導通路徑而流向第二電壓V2，進而使朝第二電壓V2流動之電感電流IL為逐漸降低之線性斜坡電流。其中，單向導通路徑包括不導通狀態的開關Q2及Q4中之內接二極體(body diode)。
在單向導通路徑的另一種實施方式中，舉例而言，再請參照圖2C及4E，在單向導通程序中，藉由單向導通操作訊號Gu控制複數 開關Q1~Q4的切換(例如使開關Q1及Q3皆不導通且使開關Q2及Q4皆導通)時，流經對應之電感L之電感電流IL係經由導通的開關Q2及Q4之而流向第二電壓V2，進而使朝第二電壓V2流動之電感電流IL為逐漸降低之線性斜坡電流。其中，單向導通路徑包括導通狀態的開關Q2及Q4。
在單向導通路徑的又一種實施方式中，舉例而言，再請參照圖2C及3B，在單向導通程序中，藉由單向導通操作訊號Gu控制複數開關Q1~Q4的切換(例如使開關Q1及Q3皆導通且使開關Q2及Q4皆不導通)時，流經對應之電感L之電感電流IL係經由導通之開關Q1及Q3(如圖2C中虛點折線箭頭所示)而流向第二電壓V2，進而使朝第二電壓V2流動之電感電流IL為逐漸升高之線性斜坡電流。其中，單向導通路徑包括導通狀態的開關Q1及Q3。
圖2D係根據本發明之一實施例顯示控制訊號產生電路2013中之邏輯電路之電路示意圖。如圖2A-2C所示並參閱圖3B所示之實施例中，控制電路201根據脈寬調變訊號Spwm與零電流偵測訊號Szc，產生控制訊號，且控制訊號包括單向導通操作訊號Gu、第一操作訊號GA及第二操作訊號GB，進而產生開關操作訊號S1~S4，而操作對應之複數開關Q1~Q4。其中，邏輯電路2014係用以將單向導通操作訊號Gu、第一操作訊號GA及第二操作訊號GB轉換為開關操作訊號S1~S4。如圖2D所示，單向導通操作訊號Gu與第二操作訊號GB進行邏輯或閘運算後，經過緩衝器而產生開關操作訊號S1；第二操作訊號GB經過緩衝器而產生開關操作訊號S2；單向導通操作訊號Gu與第一操作訊號GA進行邏輯或閘運算後，經過緩衝器而產生開關操作訊號S3；第一操作訊號GA經過緩衝器而產生開關操作訊號S4。需說明的是，邏輯電路2014的實施方式不 限於圖2D所示，只需要達成根據需求而將單向導通操作訊號Gu、第一操作訊號GA及第二操作訊號GB轉換為開關操作訊號S1~S4即可，且對應的轉換需求不同，邏輯電路2014的實施方式也不同，此為本領域中具有通常知識者所熟知，在此不予贅述。
圖3A係根據本發明之一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中脈寬調變電路之電路示意圖。如圖3A所示，脈寬調變電路2011包括鎖定電路20111、斜坡電路20112、比較電路20113及重置電路20114。鎖定電路20111用以將與第二電壓V2相關之第二電壓相關訊號V2’鎖定於一參考電壓Vref1而產生一電壓鎖定訊號EAO。斜坡電路20112用以產生一斜坡訊號Vramp。於一實施例中，斜坡電路20112包括一電流源Is及一電容Crp。電流源Is用以對電容Crp進行充電，以產生斜坡訊號Vramp。比較電路20113用以比較電壓鎖定訊號EAO及斜坡訊號Vramp而產生脈寬調變訊號Spwm。重置電路20114用以根據控制訊號例如第一操作訊號GA或一時脈訊號CLK重置斜坡訊號Vramp。於一實施例中，重置電路20114包括一開關Srp、一或閘201141、一脈衝產生器201142及一反閘201143。當第一操作訊號GA為禁能位準或時脈訊號CLK為致能位準時，藉由或閘201141及脈衝產生器201142使開關Srp導通一小段時間，而使斜坡訊號Vramp之位準下拉至零。
圖3B係根據本發明之一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中脈寬調變電路之相關訊號之訊號波形示意圖。時脈訊號CLK、斜坡訊號Vramp、電壓鎖定訊號EAO、脈寬調變訊號Spwm、零電流偵測訊號Szc、電感電流IL、第一操作訊號GA、第二操作訊號GB、 單向導通操作訊號Gu與切換週期Tsw係如圖3B所顯示。如圖3B所示，第一操作訊號GA、第二操作訊號GB與單向導通操作訊號Gu分別各自切換至一致能位準一段致能期間，且該複數段致能期間彼此不重疊，以使第一程序、第二程序及單向導通程序彼此不重疊。
如圖3B所示，當電壓鎖定訊號EAO低於斜坡訊號Vramp時，觸發脈寬調變訊號Spwm切換為禁能位準，進而觸發單向導通操作訊號Gu切換為禁能位準，並促使第一操作訊號GA切換為致能位準。當零電流偵測訊號Szc切換為致能位準時，觸發第一操作訊號GA切換為禁能位準，並促使第二操作訊號GB切換為致能位準。當電壓鎖定訊號EAO高於斜坡訊號Vramp，促使脈寬調變訊號Spwm切換為致能位準時且當零電流偵測訊號Szc切換為致能位準，促使第二操作訊號GB切換為禁能位準時，觸發單向導通操作訊號Gu切換為致能位準。如圖3B所示，本實施例係採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，亦可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw。
圖3C係根據本發明之一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中零電流偵測電路的電路方塊圖。圖3C的切換電容式電壓轉換電路20包括切換電容轉換器202以及控制電路201’，切換電容轉換器202的配置與圖2A的切換電容轉換器202相同，控制電路201’用以產生控制訊號(進而產生開關操作訊號S1~S4)以控制切換電容轉換器202的複數開關(如開關Q1~Q4)，控制電路201’包括零電流偵測電路2012、控制訊號產生電路2013及脈寬調變電路2011。零電流偵測電路2012用以 根據流經電感L的電感電流IL而產生零電流偵測訊號Szc，本實施例中，零電流偵測電路2012用以偵測電感電流IL。
請繼續參閱圖3C，在一實施例中，零電流偵測電路2012包括電流感測電路20121以及比較器20122，電流感測電路20121用以感測電感電流IL以產生電流感測訊號Vis。比較器20122用以比較電流感測訊號Vis與一參考訊號Vref2，而產生零電流偵測訊號Szc，以示意電感電流IL到達0電流的時點。圖3C之控制訊號產生電路2013及脈寬調變電路2011係類似於圖2B之控制訊號產生電路2013及脈寬調變電路2011，故省略其詳細敘述。
圖3D~圖3E係根據本發明之數個實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中零電流偵測電路的電路方塊圖。圖3D所示的控制電路201”以另一種實施方式產生零電流偵測訊號Szc，其中，本實施例的切換電容轉換器202係對應於圖2A的切換電容轉換器202。
控制電路201”包括零電流估計電路2012’，耦接於電感L，用以根據電感L之兩端的電壓差，以估計電感電流IL為0之時點，以用於產生零電流偵測訊號Szc，接著根據零電流偵測訊號Szc而由控制訊號產生電路2013產生控制訊號(進而產生開關操作訊號S1~S4)以控制複數開關之操作，可參照圖3C之實施例。
同時參閱圖3D與圖3G，在一實施例中，零電流估計電路2012’包括電壓偵測電路20121’以及計時電路20122’，電壓偵測電路20121’用以根據例如電感L之兩端的電壓差VL，產生一電壓偵測訊號VD，以示意電感L之兩端的電壓差VL超過零電壓的一正電壓期間TP。計時電路20122’耦接於電壓偵測電路20121’之輸出端，用以根據電壓偵測 訊號VD，預估電感L之兩端的電壓差VL不超過零電壓的一負電壓期間TN，進而產生零電流偵測訊號Szc，以示意電感電流IL為零之時點。
需說明的是，上述根據電感L之兩端的電壓差，產生一電壓偵測訊號VD，而預估電感電流IL為零之時點的操作方式，並不限定應用於圖3D的切換電容轉換器202，在另一實施例中，上述的操作方式，亦可應用於例如對應於圖5等實施例中，在諧振電容具有各自對應的電感(如L1、L2)的實施例中(如圖5)，電壓偵測電路可用以分別感測電感L1、L2各自的電感電流IL1、IL2，而分別預估電感電流IL1、IL2到達0的時點，以進行後續的控制操作，在此不予贅述。
圖3E所示的控制電路201'''以另一種實施方式產生零電流偵測訊號Szc，其中，本實施例的切換電容轉換器202係對應於圖2A的切換電容轉換器202。
本實施例中，控制電路201'''包括零電流估計電路2012”，耦接諧振電容C1，用以根據諧振電容C1之兩端的電壓差(跨壓VC1)，以估計電感電流IL為0之時點，以用於產生零電流偵測訊號Szc，接著根據零電流偵測訊號Szc而由控制訊號產生電路2013產生控制訊號(如開關操作訊號S1~S4)以控制複數開關之操作，可參照圖3C之實施例。
同時參閱圖3E與圖3G，本實施例中，零電流估計電路2012”包括峰谷偵測電路20121”，峰谷偵測電路20121”用以根據諧振電容C1之兩端的電壓差(跨壓VC1)，產生電壓偵測訊號，以示意諧振電容C1之兩端的電壓差之峰值之峰值時點(如圖3G所示之時點t2)，及其谷值之谷值時點(如圖3G所示之時點t4)，並據以產生零電流偵測訊號Szc，其中峰值時點與谷值時點皆對應於電感電流IL為0之時點。偵測電壓差之 峰值與谷值有許多不同的實施方式，其為本領域中具有通常知識者所熟知，在此不予贅述。
圖3F係根據本發明之一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中零電流偵測電路的電路示意圖。圖3F顯示對應於圖3D的切換電容式轉換電路中，零電流估計電路的一更具體實施例的示意圖。本實施例的零電流估計電路2012’包括比較器(對應於前述的電壓偵測電路20121’)、斜坡電路20123’以及比較器20124’，其中斜坡電路20123’與比較器20124’對應於前述的計時電路20122’。
請同時參照圖3F及3G，電壓偵測電路20121’用以比較電感L之兩端的電壓VLa與VLb而產生電壓偵測訊號VD，以示意電感L之兩端的電壓差超過零電壓之一正電壓期間TP。
請同時參照圖3F及3G，斜坡電路20123’用以根據電壓偵測訊號VD，於正電壓期間TP，產生斜坡訊號VT之第一斜坡(如圖3G之上升斜坡)，並於正電壓期間TP結束後，接續第一斜坡的終值(即斜坡訊號VT之頂點)，而產生斜坡訊號VT之第二斜坡(如圖3G之下降斜坡)，本實施例中，第一斜坡與第二斜坡的斜率彼此為反相，且第一斜坡與第二斜坡的斜率之絕對值相等，在一實施例中，例如可配置電流源Is1與Is2以相等電流值對積分電容器(電容CINT)充電與放電而達成。
請同時參照圖3F及3G，比較器20124’用以於斜坡訊號VT(特別是指第二斜坡)到達零電流閾值Vth0時，示意電感電流IL為0之時點，以用於產生零電流偵測訊號Szc。需說明的是，在其他實施例中，第一斜坡與第二斜坡的斜率之絕對值亦可為其他比例，在此情況下，同時需藉由調整零電流閾值，即可獲得相同的功效。
圖3H係根據本發明之一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中控制訊號產生電路之電路示意圖。如圖3H所示，於一實施例中，控制訊號產生電路2013包括但不限於正反器20131a、20131b及20131c、及閘20132a、20132b、20132c及20132d、脈衝產生器20133a、20133b及20133c、反閘20134、或閘20135a及20135b與緩衝器20136a、20136b、20136c及20136d。除了圖3H所顯示者以外，控制訊號產生電路2013亦可以其他實施方式加以實施。
圖3I~圖3K顯示根據本發明之切換電容式電壓轉換電路的數個實施例的操作波形圖。於圖3I中，當電感電流IL為0時，開關操作訊號S1、S2與開關操作訊號S3、S4各自轉為反相的位準，以控制複數開關Q1~Q4切換至各自對應的反相狀態。在一實施例中，如圖3I所示，於IL任兩次相鄰的0電流時點之間對應於切換週期之50%，藉此使得第一程序之導通期間等於第二程序之導通期間，以達到柔性切換(soft switching)之零電流切換。
於圖3J的實施例中，可調整前述的參考訊號Vref2，而使得例如開關操作訊號S1、S2轉為低位準(示意不導通)的時間提早，例如圖3J中，開關操作訊號S1、S2轉為低位準，比電感電流IL到達0的時點，提早了時段T1，此時電感電流IL例如仍為正電流，藉此達成例如開關Q4的零電壓切換。
在一實施例中，如圖3K中，電感電流IL於到達0後，還經過了延遲時間T2，使得電感電流IL續流至例如負電流，開關操作訊號S3、S4才轉為不導通，接著再於延遲時間T3之後，開關操作訊號S1、S2才轉為導通，藉此達成例如開關Q1的零電壓切換。
圖3L係根據本發明之一實施例顯示圖2A之切換電容式電壓轉換電路利用圖3A之脈寬調變電路時之相關訊號之訊號波形示意圖。第一電壓V1、第二電壓V2、第二電流I2、跨壓VC1、電感電流IL、開關操作訊號S1~S4、電壓Vx及切換週期Tsw係如圖3L所示。如圖3L所示，於時點t0~時點t1之間，電感電流IL呈現逐漸升高之線性斜坡電流。於時點t1~時點t2之間及時點t2~時點t3之間，電感電流IL呈現諧振電流。
圖4A係根據本發明之另一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中脈寬調變電路之電路示意圖。本實施例之脈寬調變電路3011係類似於圖3A之脈寬調變電路2011，其差異在於本實施例之重置電路30114不包含反閘，且其或閘301141有三個輸入，即時脈訊號CLK、中介訊號TGA2及TGA4。當時脈訊號CLK、中介訊號TGA2或中介訊號TGA4其中一者切換為致能位準時，藉由或閘301141及脈衝產生器301142使開關Srp導通一小段時間，而使斜坡訊號Vramp之位準下拉至零。
圖4B係根據本發明之一實施例顯示圖4A之切換電容式電壓轉換電路之控制電路中脈寬調變電路之相關訊號之訊號波形示意圖。時脈訊號CLK、斜坡訊號Vramp、電壓鎖定訊號EAO、脈寬調變訊號Spwm、零電流偵測訊號Szc、電感電流IL、第一操作訊號GA、第二操作訊號GB、單向導通操作訊號Gu1及Gu2與切換週期Tsw係如圖4B所顯示。
如圖4B所示，當電壓鎖定訊號EAO低於斜坡訊號Vramp時，觸發脈寬調變訊號Spwm切換為禁能位準，進而觸發單向導通操作訊 號Gu1切換為禁能位準，並促使第一操作訊號GA切換為致能位準。當電壓鎖定訊號EAO高於斜坡訊號Vramp，促使脈寬調變訊號Spwm切換為致能位準時且當零電流偵測訊號Szc切換為致能位準，促使第一操作訊號GA切換為禁能位準時，觸發單向導通操作訊號Gu2切換為致能位準。當電壓鎖定訊號EAO低於斜坡訊號Vramp時，觸發脈寬調變訊號Spwm切換為禁能位準，進而觸發單向導通操作訊號Gu2切換為禁能位準，並促使第二操作訊號GB切換為致能位準。當電壓鎖定訊號EAO高於斜坡訊號Vramp，促使脈寬調變訊號Spwm切換為致能位準時且當零電流偵測訊號Szc切換為致能位準，促使第二操作訊號GB切換為禁能位準時，觸發單向導通操作訊號Gu1切換為致能位準。如圖4B所示，本實施例係採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，亦可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw。
圖4C係根據本發明之另一實施例顯示切換電容式電壓轉換電路之控制電路中控制訊號產生電路之電路示意圖。本實施例之控制訊號產生電路3013可配合圖4A之脈寬調變電路3011。如圖4C所示，於一實施例中，控制訊號產生電路3013包括但不限於正反器30131a、30131b、30131c及30131d、及閘30132a、30132b、30132c、30132d、30132e及30132f、脈衝產生器30133a、30133b、30133c及30133d、反閘30134a及30134b、或閘30135a及30135b與緩衝器30136a、30136b、30136c及30136d。除了圖4C所顯示者以外，控制訊號產生電路3013亦可以其他實施方式加以實施。
圖4D係根據本發明之一實施例顯示圖2A之切換電容式電壓轉換電路利用圖4A之脈寬調變電路時之相關訊號之訊號波形示意 圖。第一電壓V1、第二電壓V2、第二電流I2、跨壓VC1、電感電流IL、開關操作訊號S1~S4、電壓Vx及切換週期Tsw係如圖4D所示。如圖4D所示，於時點t0~時點t1及時點t3~時點t4之間，電感電流IL呈現逐漸升高之線性斜坡電流。於時點t1~時點t2之間及時點t4~時點t5之間，電感電流IL呈現諧振電流。時點t2~時點t3之間為延遲時間Td。藉由上述延遲時間Td可調整複數開關(例如開關Q2、Q3、Q4)之不導通期間，以使控制電路201操作於一固定切換頻率(即切換週期Tsw為固定的一段期間)。應注意者，上述延遲時間Td可插入於第一程序及/或第二程序及/或單向導通程序之後，亦即於第一程序及/或第二程序及/或單向導通程序中，於電感電流IL降低至0後，複數開關可保持不導通一零電流時段(亦即延遲時間Td)。
圖4E係根據本發明之另一實施例顯示當圖2A之切換電容式電壓轉換電路利用圖3A之脈寬調變電路且單向導通程序採單向導通至接地電位時之相關訊號之訊號波形示意圖。時脈訊號CLK、開關操作訊號S1~S4及電感電流IL之訊號波形示意圖係如圖4E所示。如圖4E所示，於時點t1~時點t2之間，電感電流IL呈現逐漸降低之線性斜坡電流。於時點t0~時點t1之間及時點t2~時點t3之間，電感電流IL呈現具有諧振頻率之諧振電流。於此實施例中，時點t0~時點t1為切換週期Tsw的第一個程序，即第一程序之期間，其結束時點t1(或第一程序期間長度)係根據脈寬調變訊號Spwm所決定。而單向導通程序與第二程序的結束時點t2與t3，係根據零電流偵測訊號Szc所決定。如圖4E所示，本實施例係採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例 中，亦可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組合切換週期Tsw。
詳言之，圖4E所示的實施例中，在第一程序中，即時點t0~t1期間，藉由第一操作訊號GA控制複數開關Q1~Q4的切換，包含使開關Q3及Q4導通且開關Q1及Q2不導通，使對應之諧振電容C1與對應之電感L串聯於第二電壓V2與第二直流電位(例如接地電位或第一電壓V1，在本實施例為接地電位)之間，而形成一第一電流路徑。於第一程序中，朝第二電壓V2流動之電感電流IL為具有第一諧振頻率之諧振電流。
接著，單向導通操作訊號Gu用以於單向導通程序中，即時點t1~t2期間，即操作複數開關(例如開關Q1~Q4)之開關Q2及Q4導通且開關Q1及Q3不導通，意即於單向導通程序中，單向導通操作訊號Gu切換至致能位準一段第一致能期間，以致能開關操作訊號S2及S4切換至導通位準且開關操作訊號S1及S3切換至不導通位準，以將電感L之一端電連接至直流電位(在本實施例中為接地電位)。在單向導通程序中，藉由單向導通操作訊號Gu控制複數開關(開關Q1及Q3不導通，且開關Q2及Q4導通)的切換，使流經對應之電感L之電感電流IL係經由一單向導通路徑而流向第二電壓V2。
接著，在第二程序中，藉由第二操作訊號GB控制複數開關Q1~Q4的切換，包含使開關Q1及Q2導通且開關Q3及Q4不導通，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，以形成第二電流路徑。於第二程序中，朝第二電壓V2流動之電感電流IL具有第二諧振頻率之諧振電流。在本實施例中，第一諧振頻率與第二諧振頻率相同。
圖4F係根據本發明之另一實施例顯示當圖2A之切換電容式電壓轉換電路利用圖4A之脈寬調變電路且單向導通程序採單向導通至接地電位時之相關訊號之訊號波形示意圖。時脈訊號CLK、開關操作訊號S1~S4及電感電流IL係如圖4F所示。如圖4F所示，於時點t1~時點t2及時點t3~時點t4之間，電感電流IL呈現逐漸降低之線性斜坡電流。於時點t0~時點t1之間及時點t2~時點t3之間，電感電流IL呈現諧振電流。於此實施例中，時點t0~時點t1的第二程序之時間段的長度係根據脈寬調變訊號Spwm所決定。如圖4F所示，本實施例係採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，亦可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
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。切換電容式電壓轉換電路40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40包含控制電路401以及切換電容轉換器402。切換電容轉換器402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，於第二程序中，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，於第二程序中，開關操作訊號S1~S5為致能，使其所控制之開關為導通，開關操作訊號S6~S10為禁能，使其所控制之開關為不導通。
於第一程序中，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。於第一程序中，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，於第一程序中，開關操作訊號S1~S5為禁能，使其所控制之開關為不導通，開關操作訊號S6~S10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40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，上述於第一程序中，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，於第二程序中，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。而於第一程序中，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，於第二程序中，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。而於第一程序中，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402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。於第二程序中，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，於第一程序中，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與電感的第一諧振頻率，與諧振電容C2與電感的第二諧振頻率，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401可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向 導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
圖6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502與圖5的切換電容轉換器402相似，其差別在於，切換電容轉換器502之電感L1係與諧振電容C3直接串聯電連接，而形成諧振槽5021，而切換電容轉換器502之電感L2係與諧振電容C2直接串聯電連接，而形成諧振槽5022。在一實施例中，於第二程序中，複數開關(例如開關Q1~Q10)控制諧振槽5021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5022與第二電壓V2並聯。另一方面，於第一程序中，複數開關(例如開關Q1~Q10)控制諧振槽5022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5021與第二電壓V2並聯，切換電容轉換器502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501可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。
如圖6所示，在單向導通程序中，藉由開關操作訊號S1~S10控制複數開關的切換(例如使開關Q1~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6中虛線所示)之導通，而分別經由諧振槽5021及5022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6中虛線所示)所形成之閉迴路5023及5024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6所示，至少一諧振電容C3及至少一電感L1形成諧振槽5021，至少一諧振電容C2及至少一電感L2形成諧振槽5022。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5021與開關Q9及Q3中之內接二極體所形成之閉迴路5023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5022與開關Q4及Q6中之內接二極體所形成之閉迴路5024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。於另一實施例中，亦可使開關Q9及Q3 與開關Q4及Q6處於導通狀態，以形成閉迴路，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。
於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，例如藉由開關操作訊號S1~S10控制複數開關的切換(例如使開關Q1、Q7、Q6皆導通，並使開關Q2~Q5、Q8~Q10皆不導通)時，電感L2與諧振電容C2係經由至少一開關(例如開關Q1、Q7、Q6)(如圖6中虛點線所示)而導通於第一電壓V1並串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，進而使得第二狀態為朝第二電壓V2流動之電感電流ILo是具有第三諧振頻率之諧振電流，其中第三諧振頻率與第一程序之第一諧振頻率及第二程序的第二諧振頻率皆不同。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取形成閉迴路時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取形成閉迴路時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向 導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
圖7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602與圖5的切換電容轉換器402相似，其差別在於，切換電容轉換器602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，於第二程序中，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，於第一程序中，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5的實施例。
本實施例之控制電路601可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切 換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
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702相似於圖5所示的切換電容轉換器402，本實施例中，切換電容轉換器702的電感L1與L2彼此具有互感，因此，切換電容轉換器702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701可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
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7021)。
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。在一實施例中，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，第一切換電容轉換器802與第二切換電容轉換器803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802與第二切換電容轉換器803例如對應於前述圖6的切換電容轉換器502，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802與第二切換電容轉換器803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9所示，第一切換電容轉換器802之開關Q1~Q10的開關操作訊號S1~S10係與圖6的切換電容轉換器502同相，而第二切換電容轉換器803之開關Q11~Q20的開關操作訊號S11~S20係與圖6的切換電容轉換器502反相(因而也與第一切換電容轉換器802反相)。
第一切換電容轉換器802與第二切換電容轉換器803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8021、8022、8031與8032。本實施例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2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖6，請參照關於圖6之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
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的切換電容式電壓轉換電路90與圖9的切換電容式電壓轉換電路80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共用電感L1，而第二切換電容轉換器903共用電感L11，而以相似於圖7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7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9的切換電容式電壓轉換電路80，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7中的切換電容轉換器602，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2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時， 可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
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的切換電容式電壓轉換電路100與圖9的切換電容式電壓轉換電路80相似，切換電容式電壓轉換電路100包括第一切換電容轉換器1002與第二切換電容轉換器1003，其差別在於，第一切換電容轉換器1002與第二切換電容轉換器1003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9的切換電容式電壓轉換電路80，本實施例亦是以交錯方式操作第一切換電容轉換器1002與第二切換電容轉換器1003而進行電源轉換，而第一切換電容轉換器1002與第二切換電容轉換器1003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1001可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切 換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
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的切換電容式電壓轉換電路110與圖11的切換電容式電壓轉換電路100相似，切換電容式電壓轉換電路110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110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110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1101可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
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13所示的切換電容式電壓轉換電路120包括了第一切換電容轉換器1202與第二切換電容轉換器1203，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1202與第二切換電容轉換器1203例如皆可對應於圖6的切換電容轉換器502。就一觀點而言，圖13所示的切換電容式電壓轉換電路120，係植基於例如圖6的切換電容轉換器502，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1202與第二切換電容轉換器1203以一基本拓樸彼此耦接，請同時參閱圖14，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1202與第二切換電容轉換器1203之基本耦接關係，容後詳述。
本實施例之控制電路1201可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖6，請參照關於圖6之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一 程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
在一實施例中，根據前述的基本拓樸，第一切換電容轉換器1202(對應於第一切換電容轉換器1202b，圖14)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1203(對應於第二切換電容轉換器1203b，圖14)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1202的輸出端、第二切換電容轉換器1203的輸出端與第二電壓V2彼此電連接。
於第二程序中(例如對應於開關操作訊號S1~S5、S16~S20、S28禁能，而開關操作訊號S6~S10、S11~S15、S21致能時)，複數上層開關(如開關Q21，Q28)與第一切換電容轉換器1202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1202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1203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1203之間為斷路，且控制第二切換電容轉換器1203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，於第一程序中(例如對應於開關操作訊號S1~S5、S16~S20、S28致能，開關操作訊號S6~S10、S11~S15、S21禁能 時)，複數上層開關(開關Q21，Q28)與第二切換電容轉換器1203之複數開關(例如開關Q1~Q10)控制第二切換電容轉換器1203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1202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1202之間為斷路，且控制第一切換電容轉換器1202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開關操作訊號S1~S5、S16~S20、S28致能時，或開關操作訊號S6~S10、S11~S15、S21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1202與第二切換電容轉換器1203更配置了如圖6實施例中的諧振槽，亦即，諧振槽12021、12022、12031、12032，進而藉由諧振槽12021、12022、12031、12032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13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14，根據本發明，可藉由圖14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14所示，任一具有符合圖14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1202與第二切換電容轉換器1203(例如圖中之第一切換電容轉換器1202b及第二切換電容轉換器1203b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120b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13的管線式切換電容式電壓轉換電路120，代入圖14的第一切換電容轉換器1202b與第二切換電容轉換器1203b，則圖14的管線式切換電容式電壓轉換電路120b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13的第一切換電容轉換器1202與第二切換電容轉換器1203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6的切換電容轉換器502，而圖13的管線式切換電容式電壓轉換電路120可視為2層之管線式切換電容式電壓轉換電路，再者，以圖13的2層管線式切換電容式電壓轉換電路120代入圖14的第一切換電容轉換器1202b與第二切換電容轉換器1203b，則圖14所示的管線式切換電容式電壓轉換電路120b，可視為3層之管線式切換電容式電壓轉換電路。
圖15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所示的切換電容式電壓轉換電路130相似 於圖13所示的切換電容式電壓轉換電路120，其差別在於，第一切換電容轉換器1302共用電感L11，而第二切換電容轉換器1303共用電感L1，而以相似於圖7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7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120，本實施例亦是以交錯方式操作第一切換電容轉換器1302與第二切換電容轉換器1303而進行電源轉換，而第一切換電容轉換器1302與第二切換電容轉換器1303則各自相似於前述圖7中的切換電容轉換器602，而以諧振方式進行電源轉換。
本實施例之控制電路1301可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C及圖6，請參照關於圖2C及圖6之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施 例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
圖16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所示的切換電容式電壓轉換電路140相似於圖13所示的切換電容式電壓轉換電路120，其差異在於第一切換電容轉換器1402與第二切換電容轉換器1403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140以相似於切換電容式電壓轉換電路120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5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1401可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C及圖6，請參照關於圖2C及圖6之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切 換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
圖17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的切換電容式電壓轉換電路150與圖16的切換電容式電壓轉換電路140相似，切換電容式電壓轉換電路150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150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150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1501可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C及圖6，請參照關於圖2C及圖6之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
圖18A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18A所示，切換電容式電壓轉換電路160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1601。
如圖18A所示，控制電路1601係用以產生開關操作訊號S1、S3、S5、S8、S9及開關操作訊號S2、S4、S6、S7、S10，以分別對應第二程序與第一程序，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160包含至少一諧振槽，例如諧振槽16021及16022，諧振槽16021具有彼此串聯之諧振電容C1與諧振電感L1，而諧振槽16022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16021、16022對應耦接，分別根據對應之開關操作訊號S1、S3、S5、S8、S9與開關操作訊號S2、S4、S6、S7、S10，以切換所對應之諧振槽16021、16022之電連接關係而對應第二程序與第一程序。於第二程序中，對所對應之諧振槽16021、16022進行諧振充電，於第一程序中對所對應之諧振槽16021、16022進行諧振放電。至少一非諧振電容C2係與至少一諧振槽16021、16022耦接，開關操作訊號S1、S3、S5、S8、S9與開關操作訊號S2、S4、S6、S7、S10切換非諧振電容C2與至少一諧振槽16021、16022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。第一程序與第二程序接連排序為一組合後重複此組合，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。開關操作訊號S1、S3、S5、S8、S9與開關操作訊號S2、S4、S6、S7、S10分別各自切換至導通位準一段導通期間，且開關操作訊號S1、S3、S5、S8、S9之導通期間與開關操作訊號S2、S4、S6、S7、S10之導通期間彼此不重疊，以使第一程序與第二程序彼此不重疊。
於第二程序中，根據開關操作訊號S1、S3、S5、S8、S9及開關操作訊號S2、S4、S6、S7、S10，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16021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16022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。於第一程序中，根據開關操作訊號S1、S3、S5、S8、S9及開關操作訊號S2、S4、S6、S7、S10，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16021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16022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18A及18B所示之諧振槽16021與16022之切換電容式電壓轉換電路160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1601可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。如圖18A所示，在單向導通程序中，藉由開關操作訊號S1~S10控制複數開關的切換(例如使開關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18A之虛線所示)而電連接於直流電位，使得朝第二電壓V2流動之電感電流ILo1為具有第三諧振頻率之諧振電流，其中上述第三諧振頻率不同於第一程序之第一諧振頻率及第二程序的第二諧振頻率。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18A中虛線箭頭所示之電流方向續流。再請繼續參考圖18A，在單向導通程序中，藉由開關操作訊號S1~S10控制複數開關的切換(例如使開關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18A中虛線所示)之導通，而經由諧振槽16022與至少一開關(例如開關Q4及Q9)中之內接二極體(如圖18A中虛線所示)所形成之閉迴路16023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18B，在單向導通程序中，藉由開關操作訊號S1~S10控制複數開關的切換(例如使開關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18B之虛線所示)而電連接於直流電位，使得朝第二電壓V2流動之電感電流ILo2為具有第三諧振頻率之諧振電流，其中上述第三諧振頻率不同於第一程序的第一諧振頻率及第二程序的第二諧振頻率。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18B中虛線箭頭所示之電流方向續流。於另一實施例中，當單向導通程序採取單向導通至第一電壓V1時，單向導通程序之實施方式是類似於圖6，請參照關於圖6之詳細敘述。
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。如圖19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~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。在第二程序中，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，以形成第二電流路徑，以進行充電程序。在第一程序中，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，而形成複數第一電流路徑，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接連排序為一組合後重複此組合，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2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。如圖19所示，在單向導通程序中，藉由開關操 作訊號S1~S10控制複數開關的切換(例如使開關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19之虛線所示)而電連接於直流電位，使得朝第二電壓V2流動之電感電流ILo2及ILo3為具有第三諧振頻率之諧振電流及具有第四諧振頻率之諧振電流，其中上述第三諧振頻率及第四諧振頻率皆不同於第一程序的第一諧振頻率及第二程序的第二諧振頻率。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19中虛線箭頭所示之電流方向續流。於另一實施例中，當單向導通程序採取單向導通至第一電壓V1時，單向導通程序之實施方式是類似於圖6，請參照關於圖6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。
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。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20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。在第二程序中，根據開關操作訊號S1~S4及S5~S10，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，以形成一第二電流路徑，以進行充電程序。在第一程序中，根據開關操作訊號S1~S4及S5~S10，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，而形成複數第一電流路徑，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1801可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一 電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
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。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21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~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，在第一程序中，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，係指在第二程序(亦可稱為充電程序)與第一程序(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。在第二程序中，根據開關操作訊號S1~S4及S5~S10，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，以形成一第二電流路徑，以進行充電程序。在第一程序中，根據開關操作訊號S1~S4及S5~S10，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，而形成複數第一電流路徑，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1901可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
圖22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22所示，本發明之切換電容式電壓轉換電路200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。在第二程序中，根據開關操作訊號S1~S3及S4~S7，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，以形成一第二電流路徑，以進行充電程序。在第一程序中，根據開關操作訊號S1~S3及S4~S7，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，而形成複數第一電流路徑，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2001可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一 程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
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210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。在第二程序中，根據開關操作訊號S1~S8，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，以形成一第二電流路徑，以進行充電程序。在第一程序中，根據開關操作訊號S1~S8，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，而形成第一電流路徑，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2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、 3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
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。如圖24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~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。在第二程序中，根據開關操作訊號S1~S6，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，以形成第二電流路徑，以進行充電程序。在第一程序中，根據開關操作訊號S1~S6，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，而形成第一電流路徑，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2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施 例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
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。如圖25所示，本發明之切換電容式電壓轉換電路230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。在第二程序中，根據開關操作訊號S1~S8，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，以形成第二電流路徑，以進行充電程序。在第一程序中，根據開關操作訊號S1~S8，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，而形成第一電流路徑，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2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、 3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
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240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。在第二程序中，根據開關操作訊號S1~S10，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，以形成第二電流路徑，以進行充電程序。在第一程序中，根據開關操作訊號S1~S10，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，而形成第一電流路徑，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2401可採用圖2B結合圖3A、3C~3F、3H、4A或4C之控制電路架構加以實施，請參照關於圖2B、3A、3C~3F、3H、4A或4C之詳細敘述。單向導通程序之實施方式係類似於圖2C，請參照關於圖2C之詳細敘述。
於一實施例中。當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於另一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至第一電壓V1時，可採取單向導通程序、第二程序、單向導通程序及第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取單向導通程序、第一程序、單向導通程序及第二程序的順序組成切換週期Tsw。於又一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第二程序、單向導通程序、第一程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第一 程序、單向導通程序、第二程序的順序組成切換週期Tsw。於再一實施例中，當單向導通程序係採取單向導通至直流電位(例如接地電位)時，可採取第一程序、單向導通程序、第二程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw，或是採取第二程序、單向導通程序、第一程序及單向導通程序的順序組成切換週期Tsw。
本發明如上所述提供了一種切換電容式電壓轉換電路，其可不需將諧振電容電壓平衡於二分之一輸入電壓、可達成零電流切換及零電壓切換以降低切換功率損耗、可使用較小的電感以降低電感尺寸、可達到對開關、諧振電容及電感具有較低的電壓應力、與具有固定電壓轉換比例之諧振切換電容式轉換電路相比可調整輸出電壓，且可具有較高的效率。
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
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
S1~S4:開關操作訊號
V1:第一電壓
V2:第二電壓
VC1:諧振電容跨壓
Vx:電壓

Claims (30)

  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，用以根據該第一電壓或該第二電壓而產生一脈寬調變訊號，且該控制電路根據該脈寬調變訊號與一零電流偵測訊號，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，當該第一電壓轉換為該第二電壓時，該控制訊號包括一單向導通操作訊號、一第一操作訊號及一第二操作訊號，以分別對應一單向導通程序、一第一程序及一第二程序，進而用以操作對應之該複數開關，以切換所對應之該電感之電連接關係；其中，當該第一電壓轉換為該第二電壓時，該控制電路根據該第二電壓而產生該脈寬調變訊號，且該單向導通程序、該第一程序及該第二程序之操作方式如下：在該單向導通程序中，藉由該單向導通操作訊號控制該複數開關的切換，以於一第一直流電位與該第二電壓間形成一單向導通路徑，而使流經該電感之一電感電流係經由該單向導通路徑流向該第二電壓； 在該第一程序中，藉由該第一操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之該諧振電容與對應之該電感串聯於該第二電壓與一第二直流電位之間，而形成一第一電流路徑，以使流經該電感並流向該第二電壓之該電感電流為具有一第一諧振頻率之諧振電流；在該第二程序中，藉由該第二操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之該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，以形成一第二電流路徑，以使流經該電感並流向該第二電壓之該電感電流為具有一第二諧振頻率之諧振電流；其中，該單向導通操作訊號、該第一操作訊號與該第二操作訊號，分別於各自對應之一段致能期間，切換至一致能位準，且該複數段致能期間彼此不重疊，以使該單向導通程序、該第一程序及該第二程序彼此不重疊；其中，該單向導通程序、該第一程序及該第二程序接連排序為一組合後重複該組合，以使該電感在該單向導通程序、該第一程序及該第二程序之間進行電感式電源轉換切換，進而將該第一電壓轉換為該第二電壓；其中，該控制電路更根據該電感電流到達零電流之時點，而產生該零電流偵測訊號。
  2. 如請求項1所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該控制電路包括：一脈寬調變電路，用以於該第一電壓轉換為該第二電壓時，根據該第二電壓產生該脈寬調變訊號，並於該第二電壓轉換為該第一電壓時，根據該第一電壓產生該脈寬調變訊號；一零電流偵測電路，用以於該電感電流到達該零電流之時點，產生該零電流偵測訊號；以及 一控制訊號產生電路，用以根據該脈寬調變訊號與該零電流偵測訊號，產生該控制訊號，並根據該控制訊號，分別於該單向導通程序、該第一程序及該第二程序中，產生對應於該複數開關的複數開關操作訊號。
  3. 如請求項1所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該單向導通程序、該第一程序及該第二程序組成一切換週期，且該切換週期中之該單向導通程序、該第一程序及該第二程序的排列順序可任意組合，且該切換週期中的最早的程序之結束時點由該脈寬調變訊號決定，且該切換週期中除了最早的程序外的其他程序之結束時點由該零電流偵測訊號決定。
  4. 如請求項1所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該單向導通程序中，該電感電流為下列其中之一：該電感電流為具有一第三諧振頻率之諧振電流；或該電感電流為非諧振電流；其中當該電感電流為該非諧振電流時，該電感電流為逐漸降低之一線性斜坡電流，或為逐漸升高之另一線性斜坡電流。
  5. 如請求項4所述之切換電容式電壓轉換電路，其中於該單向導通程序中，當該電感電流為該非諧振電流，且為逐漸降低之該線性斜坡電流時，該單向導通路徑包括該電感電流所流經之不導通狀態的至少一該開關中之內接二極體(body diode)。
  6. 如請求項4所述之切換電容式電壓轉換電路，其中於該單向導通程序中，該單向導通路徑包括該電感電流所流經之導通狀態的至少一該開關。
  7. 如請求項1所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該第一直流電位為該第一電壓或一接地電位，且該第二直流電位為該第一電壓或該接地電位。
  8. 如請求項2所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該脈寬調變電路包括：一鎖定電路，用以將該第二電壓鎖定於一參考電壓而產生一電壓鎖定訊號；一斜坡電路，用以產生一斜坡訊號；以及一比較電路，用以比較該電壓鎖定訊號及該斜坡訊號而產生該脈寬調變訊號。
  9. 如請求項8所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該斜坡電路包括一重置電路，用以根據該控制訊號或一時脈訊號重置該斜坡訊號。
  10. 如請求項1所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該控制訊號調整該第一程序及/或該第二程序之該致能期間，以達到柔性切換(soft switching)之零電壓切換或零電流切換。
  11. 如請求項3所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該切換週期為一固定期間。
  12. 如請求項11所述之切換電容式電壓轉換電路，其中於該切換週期之該單向導通程序、該第一程序及該第二程序皆結束後，該複數開關皆保持不導通一零電流時段至該固定期間結束。
  13. 如請求項1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。
  14. 如請求項1所述之切換電容式電壓轉換電路，其中當該第二電壓轉換為該第一電壓時，該控制電路根據該第一電壓產生該脈寬調變訊號，以產生該控制訊號，而將該第二電壓轉換為該第一電壓；其中當該第二電壓轉換為該第一電壓時，該控制訊號包括一反單向導通操作訊號、一第三操作訊號及一第四操作訊號，以分別對應一反單向導通程序、一第三程序及一第四程序，而操作對應之該複數開關，以切換所對應之該電感之電連接關係；其中，當將該第二電壓轉換為該第一電壓時，該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序之操作方式如下：在該反單向導通程序中，藉由該反單向導通操作訊號控制該複數開關的切換，以於一第三直流電位與該第一電壓間形成一反單向導通路徑，而使流經該電感之該電感電流係經由該反單向導通路徑流向該第一電壓；在該第三程序中，藉由該第三操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之該諧振電容與對應之該電感串聯於該第一電壓與一第四直流電位之間，而形成一第三電流路徑，以使流經該電感並流向該第一電壓之該電感電流為具有一第四諧振頻率之諧振電流；在該第四程序中，藉由該第四操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之該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，以形成一第四電流路徑，以使流經該電感並流向該第一電壓之該電感電流為具有一第五諧振頻率之諧振電流； 其中，該反單向導通操作訊號、該第三操作訊號與該第四操作訊號，分別於各自對應之一段致能期間，切換至該致能位準，且該複數段致能期間彼此不重疊，以使該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序彼此不重疊；其中，該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序接連排序為一組合後重複該組合，以使該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序之間進行電感式電源轉換切換，進而將該第二電壓轉換為該第一電壓。
  15. 如請求項1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)。
  16. 如請求項15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)。
  17. 如請求項14所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該第三直流電位為該第二電壓或一接地電位，且該第四直流電位為該第二電壓或該接地電位。
  18. 如請求項2所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該零電流偵測電路包括：一電流感測電路，用以感測流經該至少一電感之電流，以產生對應之至少一電流感測訊號；以及一比較器，與該電流感測電路耦接，用以比較該至少一電流感測訊號與一參考訊號，而產生對應之至少一該零電流偵測訊號，以示意該至少一電感電流到達該零電流的時點。
  19. 如請求項1所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該組合包括二個該單向導通程序、該第一程序及該第二程序，其中該二個該單向導通程序、該第一程序及該第二程序組成一切換週期，且該切換週期中之該二個該單向導通程序、該第一程序及該第二程序的排列順序可任意組合，且該切換週期中的最早的程序之結束時點由該脈寬調變訊號決定，且該切換週期中除了最早的程序外的其他程序之結束時點由該零電流偵測訊號決定。
  20. 一種切換電容轉換器控制方法，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，該切換電容轉換器控制方法包含：根據該第一電壓或該第二電壓而產生一脈寬調變訊號；根據一電感電流到達零電流之時點，而產生一零電流偵測訊號；以及 根據該脈寬調變訊號與該零電流偵測訊號，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，當該第一電壓轉換為該第二電壓時，該脈寬調變訊號根據該第二電壓而產生，且該控制訊號包括一單向導通操作訊號、一第一操作訊號及一第二操作訊號，以分別對應一單向導通程序、一第一程序及一第二程序，進而用以操作對應之複數開關，以切換所對應之一電感之電連接關係；其中，當該第一電壓轉換為該第二電壓時，該單向導通程序、該第一程序及該第二程序之操作方式如下：在該單向導通程序中，藉由該單向導通操作訊號控制該複數開關的切換，以於一第一直流電位與該第二電壓間形成一單向導通路徑，而使流經該電感之該電感電流係經由該單向導通路徑流向該第二電壓；在該第一程序中，藉由該第一操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之一諧振電容與對應之該電感串聯於該第二電壓與一第二直流電位之間，而形成一第一電流路徑，以使流經該電感並流向該第二電壓之該電感電流為具有一第一諧振頻率之諧振電流；在該第二程序中，藉由該第二操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之該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，以形成一第二電流路徑，以使流經該電感並流向該第二電壓之該電感電流為具有一第二諧振頻率之諧振電流；其中，該單向導通操作訊號、該第一操作訊號與該第二操作訊號，分別於各自對應之一段致能期間，切換至一致能位準，且該複數段致能期 間彼此不重疊，以使該單向導通程序、該第一程序及該第二程序彼此不重疊；其中，該單向導通程序、該第一程序及該第二程序接連排序為一組合後重複該組合，以使該電感在該單向導通程序、該第一程序及該第二程序之間進行電感式電源轉換切換，進而將該第一電壓轉換為該第二電壓。
  21. 如請求項20所述之切換電容轉換器控制方法，其中當該第二電壓轉換為該第一電壓時，該脈寬調變訊號根據該第一電壓而產生，且該控制訊號包括一反單向導通操作訊號、一第三操作訊號及一第四操作訊號，以分別對應一反單向導通程序、一第三程序及一第四程序，而操作對應之該複數開關，以切換所對應之該電感之電連接關係；其中，當將該第二電壓轉換為該第一電壓時，該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序之操作方式如下：在該反單向導通程序中，藉由該反單向導通操作訊號控制該複數開關的切換，以於一第三直流電位與該第一電壓間形成一反單向導通路徑，而使流經該電感之該電感電流係經由該反單向導通路徑流向該第一電壓；在該第三程序中，藉由該第三操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之該諧振電容與對應之該電感串聯於該第一電壓與一第四直流電位之間，而形成一第三電流路徑，以使流經該電感並流向該第一電壓之該電感電流為具有一第四諧振頻率之諧振電流；在該第四程序中，藉由該第四操作訊號控制該複數開關的切換，使對應之該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，以形成一第四電流路徑，以使流經該電感並流向該第一電壓之該電感電流為具有一第五諧振頻率之諧振電流； 其中，該反單向導通操作訊號、該第三操作訊號與該第四操作訊號，分別於各自對應之一段致能期間，切換至該致能位準，且該複數段致能期間彼此不重疊，以使該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序彼此不重疊；其中，該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序接連排序為一組合後重複該組合，以使該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序之間進行電感式電源轉換切換，進而將該第二電壓轉換為該第一電壓。
  22. 如請求項20所述之切換電容轉換器控制方法，其中該單向導通程序、該第一程序及該第二程序組成一切換週期，且該切換週期中之該單向導通程序、該第一程序及該第二程序的排列順序可任意組合，且該切換週期中的最早的程序之結束時點由該脈寬調變訊號決定，且該切換週期中除了最早的程序外的其他程序之結束時點由該零電流偵測訊號決定。
  23. 如請求項21所述之切換電容轉換器控制方法，其中該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序組成一切換週期，且該切換週期中之該反單向導通程序、該第三程序及該第四程序的排列順序可任意組合，且該切換週期中的最早的程序之結束時點由該脈寬調變訊號決定，且該切換週期中除了最早的程序外的其他程序之結束時點由該零電流偵測訊號決定。
  24. 如請求項20所述之切換電容轉換器控制方法，其中該單向導通程序中，該電感電流為下列其中之一：該電感電流為具有一第三諧振頻率之諧振電流；或 該電感電流為非諧振電流；其中當該電感電流為該非諧振電流時，該電感電流為逐漸降低之一線性斜坡電流，或為逐漸升高之另一線性斜坡電流。
  25. 如請求項21所述之切換電容轉換器控制方法，其中該反單向導通程序中，該電感電流為下列其中之一：該電感電流為具有一第六諧振頻率之諧振電流；或該電感電流為非諧振電流；其中當該電感電流為該非諧振電流時，該電感電流為逐漸降低之一線性斜坡電流，或為逐漸升高之另一線性斜坡電流。
  26. 如請求項20所述之切換電容轉換器控制方法，其中該第一直流電位為該第一電壓或一接地電位，且該第二直流電位為該第一電壓或該接地電位。
  27. 如請求項21所述之切換電容轉換器控制方法，其中該第三直流電位為該第二電壓或一接地電位，且該第四直流電位為該第二電壓或該接地電位。
  28. 如請求項22所述之切換電容轉換器控制方法，其中該切換週期為一固定期間，其中於該切換週期之該單向導通程序、該第一程序及該第二程序皆結束後，該複數開關皆保持不導通一零電流時段至該固定期間結束。
  29. 如請求項23所述之切換電容轉換器控制方法，其中該切換週期為一固定期間，其中於該切換週期之該反單向導通程序、該第三程 序及該第四程序皆結束後，該複數開關皆保持不導通一零電流時段至該固定期間結束。
  30. 如請求項20所述之切換電容轉換器控制方法，其中該組合包括二個該單向導通程序、該第一程序及該第二程序，其中該二個該單向導通程序、該第一程序及該第二程序組成一切換週期，且該切換週期中之該二個該單向導通程序、該第一程序及該第二程序的排列順序可任意組合，且該切換週期中的最早的程序之結束時點由該脈寬調變訊號決定，且該切換週期中除了最早的程序外的其他程序之結束時點由該零電流偵測訊號決定。
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