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TWI822089B - 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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TWI822089B
TWI822089B TW111121086A TW111121086A TWI822089B TW I822089 B TWI822089 B TW I822089B TW 111121086 A TW111121086 A TW 111121086A TW 111121086 A TW111121086 A TW 111121086A TW I822089 B TWI822089 B TW I822089B
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inductor
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switched capacitor
operation signal
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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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Publication date
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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；在諧振模式之充電程序中，藉由充電操作訊號控制複數開關的切換，使至少一電容與對應電感串聯於第一與第二電壓之間，以形成充電路徑；在諧振模式之放電程序中，藉由放電操作訊號控制複數開關的切換，使電容與對應電感串聯於第二電壓與直流電位之間，而同時或輪流形成複數放電路徑；在電感切換模式中，藉由電感操作訊號控制複數開關的切換，使電感的一端交替耦接至第一電壓及直流電位；控制電路根據第一電壓而選擇操作於諧振模式或電感切換模式，以將第二電壓維持於預定範圍內。

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自動轉換於多個操作模式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係顯示一習知諧振切換電容式電壓轉換器10。此習知諧振切換電容式電壓轉換器10具有輸入電壓Vin對於輸出電壓Vout為2：1之電壓轉換比例，且當其開關操作於諧振頻率且切換於具有零電流切換/零電壓切換之柔性切換狀態時，能夠提供高效率操作。然而，由於其固定的2轉1轉換比例，故其輸出電壓Vout具有廣大的範圍，因此造成其應用受限於具有寬輸入電壓條件之應用。
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：至少一電容；複數開關，與該至少一電容耦接；以及至少一電感；其中，該控制電路用以根據該第一電壓之位準，且以將該第二電壓維持於一第一預定範圍內為目標，而選擇該第一電壓與該第二電壓間之比例，進而產生該控制訊號，以將該第一電壓轉換為該第二電壓，或是該控制電路用以根據該第二電壓之位準，且以將該第一電壓維持於一第二預定範圍內為目標，而選擇該第一電壓與該第二電壓間之比例，進而產生該控制訊號，以將該第二電壓轉換為該第一電壓；其中，該控制訊號包括一充電操作訊號及至少一放電操作訊號；其中，在一諧振操作模式之一充電程序中，藉由該充電操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一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，以形成一充電路徑並諧振操作；其中，在該諧振操作模式之至少一放電程序中，藉由該放電操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一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放電路徑並諧振操作；其中，在該諧振操作模式中，該充電操作訊號與該至少一放電操作訊號，分別各自切換至一導通位準一段導通期間，且該複數段導通期間彼此不重疊，以使該充電程序與該至少一放電程序彼此不重疊；其中，在該諧 振操作模式中，該充電程序與該至少一放電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。
於一實施例中，該控制訊號更包括一電感操作訊號，以控制該複數開關的切換，而使該切換電容轉換器操作於一電感切換模式，使該至少一電感的一端交替地耦接至該第一電壓或該直流電位，以將該第一電壓轉換為該第二電壓，並將該第二電壓維持於該第一預定範圍內，或將該第二電壓轉換為該第一電壓，並將該第一電壓維持於該第二預定範圍內。
於一實施例中，於該諧振操作模式及/或該電感切換模式中，該控制電路調降該充電操作訊號及/或該放電操作訊號及/或該電感操作訊號之占空比，以於部分該複數開關導通時，使朝該第二電壓流動之電感電流處於一第一狀態，並於該複數開關皆不導通時，使流經對應之該電感之該電感電流經由至少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，於該諧振操作模式中，該第一狀態為朝該第二電壓流動之該電感電流為一諧振電流。
於一實施例中，於該電感切換模式中，該第一狀態為朝該第二電壓流動之該電感電流為一非諧振電流。
於一實施例中，於該電感切換模式中，該第一狀態為朝該第二電壓流動之該電感電流為一三角波電流。
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為一非諧振電流。
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為一線性斜坡電流。
於一實施例中，於該諧振操作模式及/或該電感切換模式中，該控制電路調降該充電操作訊號及/或該放電操作訊號及/或該電感操作訊號之該占空比，以於該複數開關皆不導通時，使對應之該電感之該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，進而使得朝該第二電壓流動之該電感電流為該線性斜坡電流。
於一實施例中，該至少一電容包括兩個該電容，其中該諧振操作模式包括一二轉一模式及/或一三轉一模式；其中，該控制電路根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該二轉一模式或該三轉一模式；其中，於該二轉一模式中，該控制電路控制該複數開關，於該充電程序與該放電程序中，使得單一該電容與對應之單一該電感分別對應形成該充電路徑與該放電路徑並諧振操作；其中，於該三轉一模式中，該控制電路控制該複數開關，於該充電程序與該放電程序中，使得兩個該電容與對應之單一該電感分別對應形成該充電路徑與該放電路徑並諧振操作。
於一實施例中，該控制電路根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該二轉一模式、該三轉一模式及該電感切換模式中其中一者，以將該第二電壓維持於該第一預定範圍內。
於一實施例中，該電感切換模式包括一二階電感切換模式及/或一三階電感切換模式，該電感操作訊號包括一二階電感操作訊號及/或一三階電感操作訊號；其中，於該二階電感切換模式中，藉由該二階電感操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一電感的該端之電壓 週期性地切換於該第一電壓及該直流電位之間，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，於該三階電感切換模式中，藉由該三階電感操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一電感的該端之電壓週期性地切換於該第一電壓、該第一電壓之二分之一及該直流電位之間，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。
於一實施例中，該控制電路根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該二轉一模式、該三轉一模式、該二階電感切換模式及該三階電感切換模式中其中一者，以將該第二電壓維持於該第一預定範圍內。
於一實施例中，於該二轉一模式中，該第一電壓為該第二電壓的兩倍；其中於該三轉一模式中，該第一電壓為該第二電壓的三倍。
於一實施例中，該切換電容轉換器包括串並聯式切換電容轉換器(series-parallel switched capacitor 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)、四分之一串並聯式切換電容轉換器(4-to-1 series-parallel switched capacitor converter)或五分之一串並聯式切換電容轉換器(5-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而產生該控制訊號。
於一實施例中，該控制電路更包括一電壓感測電路，用以感測該第二電壓或該第一電壓，以產生一電壓感測訊號，其中該控制訊號產生電路，於該電感切換模式中，更根據該電壓感測訊號而產生該電感操作訊號。
於一實施例中，該至少一電容包括N個該電容，其中該諧振操作模式包括一M轉一模式，其中N為大於等於2之自然數，且M為大於等於2且小於等於N+1的自然數；其中，該控制電路根據該第一電壓而決定M的值，並選擇使該切換電容轉換器操作於該M轉一模式；其中，於該M轉一模式中，該控制電路控制該複數開關，於該充電程序與該放電程序中，使得M-1個該電容與對應之單一該電感分別對應形成該充電路徑與該放電路徑並諧振操作。
於另一觀點中，本發明提供一種切換電容式電壓轉換方法，用以將一切換電容轉換器之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，該切換電容轉換器包括至少一電容、複數開關以及至少一電感，該切換電容式電壓轉換方法包括：根據該第一電壓之位準，且以將該第二電壓維持於一第一預定範圍內為目標，而選擇該第一電壓與該第二電壓間之比例，進而產生一控制訊號，以將該第一電壓轉換為該第二電壓，或是根據該第二電壓之位準，且以將該第一電壓維持於一第二預定範圍內為目標，而選擇該第一電壓與該第二電壓間之 比例，進而產生該控制訊號，以將該第二電壓轉換為該第一電壓；在該諧振操作模式之一充電程序中，藉由一充電操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一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，以形成一充電路徑並諧振操作；在該諧振操作模式之至少一放電程序中，藉由至少一放電操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一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放電路徑並諧振操作；其中在該諧振操作模式中，該充電操作訊號與該至少一放電操作訊號，分別各自切換至一導通位準一段導通期間，且該複數段導通期間彼此不重疊，以使該充電程序與該至少一放電程序彼此不重疊；其中在該諧振操作模式中，該充電程序與該至少一放電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。
於一實施例中，該切換電容式電壓轉換方法更包括：在一電感切換模式中，藉由一電感操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一電感的一端交替地耦接至該第一電壓或該直流電位，以將該第一電壓轉換為該第二電壓，並將該第二電壓維持於該第一預定範圍內，或將該第二電壓轉換為該第一電壓，並將該第一電壓維持於該第二預定範圍內。
於一實施例中，該切換電容式電壓轉換方法更包括：於該諧振操作模式及/或該電感切換模式中，調降該充電操作訊號及/或該放電操作訊號及/或該電感操作訊號之占空比，以於部分該複數開關導通時，使朝該第二電壓流動之電感電流處於一第一狀態，並於該複數開關皆不導通時，使流經對應之該電感之該電感電流經由至少一電流續流路 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，於該諧振操作模式及/或該電感切換模式中，當調降該充電操作訊號及/或該放電操作訊號及/或該電感操作訊號之該占空比，且該複數開關皆不導通時，使對應之該電感之該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，進而使得朝該第二電壓流動之該電感電流為該線性斜坡電流。
於一實施例中，該至少一電容包括兩個該電容，其中該諧振操作模式包括一二轉一模式及/或一三轉一模式；其中，根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該二轉一模式或該三轉一模式；其中，於該二轉一模式中，該充電操作訊號與該放電操作訊號控制該複數開關，於該充電程序與該放電程序中，使得單一該電容與對應之單一該電感分別對應形成該充電路徑與該放電路徑並諧振操作；其中，於該三轉一模式中，該充電操作訊號與該放電操作訊號控制該複數開關，於該充電程序與該放電程序中，使得兩個該電容與對應之單一該電感分別對應形成該充電路徑與該放電路徑並諧振操作。
於一實施例中，根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該諧振操作模式或該電感切換模式之步驟包括根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該二轉一模式、該三轉一模式及該電感切換模式中其中一者，以將該第二電壓維持於該第一預定範圍內。
於一實施例中，該電感切換模式包括一二階電感切換模式及/或一三階電感切換模式，該電感操作訊號包括一二階電感操作訊號及/或一三階電感操作訊號；其中，於該二階電感切換模式中，藉由該二階電感操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一電感的該端之電壓週期性地切換於該第一電壓及該直流電位之間，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，於該三階電感切換模式中，藉由該三階電感操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一電感的該端之電壓週期性地切換於該第一電壓、該第一電壓之二分之一及該直流電位之間，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。
於一實施例中，根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該諧振操作模式或該電感切換模式之步驟包括根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該二轉一模式、該三轉一模式、該二階電感切換模式及該三階電感切換模式中其中一者，以將該第二電壓維持於該第一預定範圍內。
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而產生該充電操作訊號、該至少一放電操作訊號及該電感操作訊號。
於一實施例中，該切換電容式電壓轉換方法更包括：感測該第二電壓或該第一電壓，以產生一電壓感測訊號，於該電感切換模式中，更根據該電壓感測訊號而產生該電感操作訊號。
於一實施例中，該至少一電容包括N個該電容，其中該諧振操作模式包括一M轉一模式，其中N為大於等於2之自然數，且M為大於等於2且小於等於N+1的自然數；其中，根據該第一電壓而決定M的值，並選擇使該切換電容轉換器操作於該M轉一模式；其中，於該M轉一模式中，控制該複數開關，於該充電程序與該放電程序中，使得M-1個該電容與對應之單一該電感分別對應形成該充電路徑與該放電路徑並諧振操作。
本發明之優點在於本發明藉由結合M轉1模式及二階或三階電感切換模式，可使輸出電壓具有較小變化範圍、可提供具有不同電壓轉換比例之更多的操作模式且可達到諧振切換電容式轉換器之多個操作模式間之自動模式轉換控制。
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:諧振切換電容式電壓轉換器
20,30,30’,40,50,60,70:切換電容式電壓轉換電路
201,601,701:控制電路
202,602,702:切換電容轉換器
2011:電流感測電路
2012:控制訊號產生電路
2013:電壓感測電路
C1~C4,CV2:電容
Cd:電流感測訊號
GA:充電操作訊號
GB:放電操作訊號
Gb21,Gb22:二階電感操作訊號
Gb31,Gb31:三階電感操作訊號
I1:第一電流
I2:第二電流
IC1:電容電流
IL:電感電流
L:電感
M:電壓轉換比
N:電容數量
Q1~Q13:開關
V1:第一電壓
V11,V12,V13,V21,V22:電壓
V2:第二電壓
Vd:電壓感測訊號
Vds1,Vds6:汲源極電壓
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓
Vth1:第一閾值
Vth2:第二閾值
Vth3:第三閾值
Vth4:第四閾值
Vth5:第五閾值
Vth6:第六閾值
圖1係為習知的諧振切換電容式電壓轉換器之示意圖。
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相關訊號之訊號波形示意圖。
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控制電路之方塊示意圖。
圖3A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相關訊號之訊號波形示意圖。
圖3C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3D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4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係根據本發明之一實施例顯示一切換電容式電壓轉換電路之操作模式特性圖。
圖7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操作模式特性圖。
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。
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。於本實施例中，控制訊號包括充電操作訊號GA及至少一放電操作訊號GB。切換電容轉換器202包括至少一電容C1及C2、複數開關Q1~Q7以及至少一電感L。複數開關Q1~Q7與至少一電容C1及C2耦接。
控制電路201用以根據第一電壓V1之位準，且以將第二電壓V2維持於第一預定範圍內為目標，而選擇第一電壓V1與第二電壓V2間之比例，進而產生控制訊號，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2；或是控制電路201用以根據第二電壓V2之位準，且以將第一電壓V1維持於第二預定範圍內為目標，而選擇第一電壓V1與第二電壓V2間之比例，進而產生控制訊號，以將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。
在諧振操作模式之充電程序中，藉由充電操作訊號GA控制複數開關Q1~Q7的切換，使至少一電容C1及C2與對應之電感L串聯於 第一電壓V1與第二電壓V2之間，以形成充電路徑並諧振操作。在諧振操作模式之至少一放電程序中，藉由放電操作訊號GB控制複數開關Q1~Q7的切換，使至少一電容C1及C2與對應之電感L分別串聯於第二電壓V2與直流電位(在本實施例中，直流電位為接地電位)之間，而同時形成或輪流形成複數放電路徑並諧振操作。在諧振操作模式中，充電程序與至少一放電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。
再請參照圖2A，於諧振操作模式中，控制電路201可調降充電操作訊號GA及/或放電操作訊號GB之占空比，以於部分複數開關(例如開關Q1~Q3或開關Q4~Q7)導通時，使朝第二電壓V2流動之電感電流IL處於第一狀態，並於複數開關(例如開關Q1~Q7)皆不導通時，使流經對應之電感L之電感電流IL經由至少一開關(例如開關Q3及Q7)中之電流續流路徑，例如但不限於內接二極體(body diode)之導通而續流，進而使朝第二電壓V2流動之電感電流IL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。
於一實施例中，在諧振操作模式中，第一狀態為朝第二電壓V2流動之電感電流IL為諧振電流。於一實施例中，第二狀態為朝第二電壓V2流動之電感電流IL為非諧振電流。於一較佳實施例中，第二狀態為朝第二電壓V2流動之電感電流IL為線性斜坡電流。舉例而言，於諧振操作模式及/或電感切換模式中，控制電路201調降充電操作訊號GA及/或放電操作訊號GB之占空比，以於複數開關(例如開關Q1~Q7)皆不導通 時，使對應之電感L之一端經由至少一開關(例如開關Q3及Q7)中之內接二極體(body diode)而導通於直流電位，進而使得朝第二電壓V2流動之電感電流IL為線性斜坡電流。
再請參照圖2A，切換電容轉換器202可更操作於電感切換模式。在電感切換模式中，控制訊號更包括電感操作訊號，以控制複數開關(例如開關Q1~Q7)的切換，藉由電感操作訊號控制複數開關的切換，使電感L的一端(如圖2A電感L左端)交替地耦接至第一電壓V1或直流電位(在本實施例為接地電位)，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2，並將第二電壓V2維持於第一預定範圍內，或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1，並將第一電壓V1維持於第二預定範圍內。
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相關訊號之訊號波形示意圖。第二電壓V2、第二電流I2、電感電流IL、電容電流IC1、開關Q1之汲源極電壓Vds1、開關Q6之汲源極電壓Vds6、充電操作訊號GA及放電操作訊號GB係如圖2B所示。如圖2B所示，在諧振操作模式中，充電操作訊號GA與至少一放電操作訊號GB分別各自切換至一導通位準一段導通期間，且複數段導通期間彼此不重疊，以使充電程序與至少一放電程序彼此不重疊。
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控制電路之方塊示意圖。請同時參照圖2C及圖2A，控制電路201包括電流感測電路2011、控制訊號產生電路2012及電壓感測電路2013。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而產生控制訊號例如充電操作訊號GA及放電操作訊號GB。電壓感測電路2013用以感測第二電壓V2，以產生電壓感測訊號Vd。控制訊號產生電路2012，於電感切換模式中，更根據電壓感測訊號Vd而產生電感操作訊號例如二階電感操作訊號Gb21、Gb22(將詳述於後)及/或三階電感操作訊號Gb31、Gb32(將詳述於後)。
圖3A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3A之實施例係類似於圖2A之實施例，其不同在於，於本實施例中，開關Q5恆導通，開關Q3及Q7恆不導通，使得切換電容轉換器202進入二轉一模式，亦即第一電壓V1與第二電壓V2之比例為2：1。在諧振操作模式之充電程序中，藉由充電操作訊號GA控制複數開關Q1、Q2、Q4、Q6的切換，使至少一電容C1與對應之電感L串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，以形成充電路徑並諧振操作。在諧振操作模式之至少一放電程序中，藉由放電操作訊號GB控制複數開關Q1、Q2、Q4、Q6的切換，使至少一電容C1與對應之電感L串聯於第二電壓V2與直流電位之間，而形成放電路徑並諧振操作。電感電流續流之方式係類似於圖2A之實施例，其不同在於本實施例係透過開關Q2及Q6之內接二極體之導通而續流。於一實施例中，控制電路201根據第一電壓V1而選擇使切換電容轉換器202操作於二轉一模式或三轉一模式，以將第二電壓V2維持於第一預定範圍內。
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相關訊號之訊號波形示意圖。第二電壓V2、第二電流I2、電 感電流IL、電容電流IC1、開關Q1之汲源極電壓Vds1、開關Q6之汲源極電壓Vds6、充電操作訊號GA及放電操作訊號GB係如圖3B所示。
圖3C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3D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3C及3D之實施例係類似於圖3A之實施例，其不同在於，於本實施例中，控制訊號更包括電感操作訊號，電感操作訊號包括三階電感操作訊號Gb31及Gb32。於三階電感切換模式中，藉由三階電感操作訊號Gb31及Gb32控制複數開關(例如開關Q1、Q2、Q4、Q6)的切換，且在電感切換模式中，開關Q3與Q7恆不導通，使至少一電感L的一端之電壓週期性地切換於第一電壓V1、第一電壓V1之二分之一及直流電位(在本實施例中為接地電位)之間，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2。
再請參照圖3C，於電感切換模式中，控制電路201可調降電感操作訊號Gb31、Gb32之占空比，以於部分複數開關(例如開關Q1、Q2或開關Q4、Q6)導通時，使朝第二電壓V2流動之電感電流IL處於第一狀態，並於複數開關(例如開關Q1、Q2、Q4、Q6)皆不導通時，使流經對應之電感L之電感電流IL經由至少一開關(例如開關Q2及Q6)中之內接二極體(body diode)之導通而續流，進而使朝第二電壓V2流動之電感電流IL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。於一實施例中，第一狀態為朝第二電壓V2流動之電感電流IL為非諧振電流。於一較佳實施例中，第一狀態為朝第二電壓V2 流動之電感電流IL為三角波電流。於一實施例中，第二狀態為朝第二電壓V2流動之電感電流IL為非諧振電流。於一較佳實施例中，第二狀態為朝第二電壓V2流動之電感電流IL為線性斜坡電流。
舉例而言，當第二電壓V2介於第一電壓V1與第一電壓V1之二分之一之間時，如圖3C所示，藉由三階電感操作訊號Gb32控制複數開關Q1、Q2、Q4、Q6的切換，使至少一電容C1與對應之電感L串聯於第二電壓V2與直流電位之間，並如圖3D所示，接著藉由三階電感操作訊號Gb31控制複數開關Q1、Q2、Q4、Q6的切換，使電感L之一端耦接至第一電壓V1，藉此使電感L之一端的電壓週期性地切換於第一電壓V1與第一電壓V1之二分之一之間。於另一實施例中，當第二電壓V2介於0與第一電壓V1之二分之一之間時，如圖3C所示，藉由三階電感操作訊號Gb31控制複數開關Q1、Q2、Q4、Q6的切換，使至少一電容C1與對應之電感L串聯於第一電壓V1與第二電壓V2之間，並如圖3D所示，接著藉由三階電感操作訊號Gb32控制複數開關Q1、Q2、Q4、Q6的切換，使電感L之一端耦接至直流電位(在本實施例中為接地電位)，藉此使電感L之一端的電壓週期性地切換於0與第一電壓V1之二分之一之間。圖3D之電感電流續流之方式係類似於圖3C之實施例，請參照圖3C之相關敘述。
圖4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。本實施例係類似於圖2A之實施例，其不同在於，開關Q2、Q5及Q6恆不導通。於本實施例中，控制訊號更包括二階電感操作訊號Gb21及Gb22。在二階電感切換模式(亦可稱為電感切 換模式)中，藉由二階電感操作訊號Gb21及Gb22控制複數開關Q1、Q3、Q4、Q7的切換，使至少一電感L的一端交替地(週期性地)耦接至第一電壓V1或直流電位，以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2。於一實施例中，控制電路201根據第一電壓V1而選擇使切換電容轉換器202操作於二轉一模式、三轉一模式、二階電感切換模式及三階電感切換模式中其中一者，以將第二電壓V2維持於第一預定範圍內。於另一實施例中，控制電路201根據該第一電壓V1而選擇使切換電容轉換器202操作於二轉一模式、三轉一模式及電感切換模式中其中一者，以將第二電壓V2維持於第一預定範圍內。本實施例之電感電流續流之方式係類似於圖3C之實施例，請參考圖3C之相關敘述，其不同在於本實施例係透過開關Q3及Q7之內接二極體之導通而續流。
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。本實施例係類似於圖4之實施例，請參照圖4之相關敘述，其不同在於開關Q1及Q6恆導通，藉由二階電感操作訊號Gb21及Gb22僅控制複數開關Q4、Q3及Q7的切換，使至少一電感L的一端交替地(週期性地)耦接至第一電壓V1或直流電位，並使得電容C1可作為輸入電容。本實施例之電感電流續流之方式係類似於圖4之實施例，請參考圖4之相關敘述。
圖6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操作模式特性圖。請同時參照圖6、2A及3A，控制電路201根據第一電壓V1之大小，以將第二電壓V2維持於第一預定範圍內(電壓 V21與電壓V22之間)為目標，而選擇使切換電容轉換器202操作於二轉一模式或三轉一模式，以將第二電壓V2維持於第一預定範圍內例如電壓V21與電壓V22之間。如圖6所示，控制電路201以磁滯方式切換操作模式，當第一電壓V1大於第一閾值Vth1時，控制電路201使切換電容轉換器202操作於三轉一模式。當第一電壓V1小於第二閾值Vth2時，控制電路201使切換電容轉換器202操作於二轉一模式。
圖7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操作模式特性圖。請同時參照圖7、2A、3A、3C、3D、4及5，控制電路201根據第一電壓V1之大小而選擇使切換電容轉換器202操作於二轉一模式、三轉一模式、二階電感切換模式及三階電感切換模式之其中一者，以將第二電壓V2維持於第一預定範圍內例如電壓V21與電壓V22之間。如圖7所示，當第一電壓V1大於第一閾值Vth1時，控制電路201使切換電容轉換器202操作於二階電感切換模式或三階電感切換模式。當第一電壓V1小於第二閾值Vth2且大於第三閾值Vth3時，控制電路201使切換電容轉換器202操作於三轉一模式。當第一電壓V1小於第四閾值Vth4且大於第五閾值Vth5時，控制電路201使切換電容轉換器202操作於二轉一模式。當第一電壓V1小於第六閾值Vth6時，控制電路201使切換電容轉換器202操作於二階電感切換模式或三階電感切換模式。
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。如圖8所示，本發明之切換電容式電壓轉換電路 60之切換電容轉換器602包含電容C1~C3、開關Q1~Q10、電感L。開關Q1-Q3分別與對應之電容C1-C3串聯，而開關Q4與電感L串聯。
開關Q1-Q10可根據對應之操作訊號，切換所對應之電容C1-C3與電感L之電連接關係。在充電程序中，根據充電操作訊號GA，開關Q1-Q4係為導通，開關Q5-Q10係為不導通，使得電容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，以形成一充電路徑。在放電程序中，根據放電操作訊號GB，開關Q5-Q10係導通，開關Q1-Q4係不導通，使電容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，而形成複數放電路徑。應注意者為，上述充電程序與上述放電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，每個電容C1~C3的直流偏壓均為第二電壓V2，故本實施例中的電容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601及操作方式可類似於圖2A、2C、3A、3C、3D、4及5之控制電路架構及操作方式加以實施，請參照關於圖2A、2C、3A、3C、3D、4及5之詳細敘述。電感電流續流之方式若操作為四轉一模式則係類似於圖2A，若操作為三轉一模式或二轉一模式則係類似於圖3A，若操作為三階電感切換模式則類似於圖3C及3D，若操作為二階電感切換模式則類似於圖4及5，請分別參照關於圖2A、3A、3C、3D、4及5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。如圖9所示，本發明之切換電容式電壓轉換電路 70之切換電容轉換器702包含電容C1~C4、開關Q1~Q13、電感L。開關Q1-Q4分別與對應之電容C1-C4串聯，而開關Q5與電感L串聯。
開關Q1-Q13可根據對應之操作訊號，切換所對應之電容C1-C4與電感L之電連接關係。在充電程序中，根據充電操作訊號GA，開關Q1-Q5係為導通，開關Q6-Q13係為不導通，使得電容C1-C4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，以形成一充電路徑。在放電程序中，根據放電操作訊號GB，開關Q6-Q13係導通，開關Q1-Q5係不導通，使電容C1~C4彼此並聯後串聯電感L於第二電壓V2與接地電位之間，而形成複數放電路徑。應注意者為，上述充電程序與上述放電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，每個電容C1~C4的直流偏壓均為第二電壓V2，故本實施例中的電容C1~C4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701及操作方式可類似於圖2A、2C、3A、3C、3D、4及5之控制電路架構及操作方式加以實施，請參照關於圖2A、2C、3A、3C、3D、4及5之詳細敘述。電感電流續流之方式若操作為五轉一模式則係類似於圖2A，若操作為四轉一模式、三轉一模式或二轉一模式則係類似於圖3A，若操作為三階電感切換模式則類似於圖3C及3D，若操作為二階電感切換模式則類似於圖4及5，請分別參照關於圖2A、3A、3C、3D、4及5之詳細敘述。
本發明如上所述提供了一種切換電容式電壓轉換電路，其藉由結合M轉1模式及二階或三階電感切換模式並使電感電流續流可使第二電壓(或稱輸出電壓)具有較小變化範圍、可提供具有不同電壓轉 換比例之更多的操作模式且可達到諧振切換電容式轉換器之多個操作模式間之自動模式轉換控制。值得注意的是，由上述例如圖2A、圖3A、圖8與圖9之實施例，可歸納出切換電容式電壓轉換電路所包含之電容數量N與電壓轉換比M之關係，其中N為大於等於2之自然數，且M為大於等於2且小於等於N+1的自然數。具體舉例而言，圖9之切換電容式電壓轉換電路包含4個電容，其可包括五轉一模式、四轉一模式、三轉一模式或二轉一模式，又如，圖2之切換電容式電壓轉換電路包含2個電容，其可包括三轉一模式或二轉一模式。
以上所述之實施例，將第一電壓V1轉換為第二電壓V2之電路，也適用於第二電壓V2轉換為第一電壓V1。控制電路根據第二電壓V2之位準，且以將第一電壓V1維持於第二預定範圍內為目標，而選擇第一電壓V1與第二電壓V2間之比例，進而產生控制訊號，以將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。其中，控制電路201根據第一電壓V1而選擇使切換電容轉換器202操作於二轉一模式、三轉一模式及電感切換模式中其中一者，以將第二電壓V2維持於第一預定範圍內；同樣的電路也可以操作為控制電路201根據第二電壓V2而選擇使切換電容轉換器202操作於一轉二模式、一轉三模式及電感切換模式中其中一者，以將第一電壓V1維持於第二預定範圍內。
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,C2,CV2:電容
GA:充電操作訊號
GB:放電操作訊號
I1:第一電流
I2:第二電流
IC1:電容電流
IL:電感電流
L:電感
Q1~Q7:開關
V1:第一電壓
V2:第二電壓
Vds1,Vds6:汲源極電壓

Claims (24)

  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：至少一電容；複數開關，與該至少一電容耦接；以及至少一電感；其中，該控制電路用以根據該第一電壓之位準，且以將該第二電壓維持於一第一預定範圍內為目標，而選擇該第一電壓與該第二電壓間之比例，進而產生該控制訊號，以將該第一電壓轉換為該第二電壓，或是該控制電路用以根據該第二電壓之位準，且以將該第一電壓維持於一第二預定範圍內為目標，而選擇該第一電壓與該第二電壓間之比例，進而產生該控制訊號，以將該第二電壓轉換為該第一電壓；其中，該控制訊號包括一充電操作訊號及至少一放電操作訊號；其中，在一諧振操作模式之一充電程序中，藉由該充電操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一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，以形成一充電路徑並諧振操作； 其中，在該諧振操作模式之至少一放電程序中，藉由該放電操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一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放電路徑並諧振操作；其中，在該諧振操作模式中，該充電操作訊號與該至少一放電操作訊號，分別各自切換至一導通位準一段導通期間，且該複數段導通期間彼此不重疊，以使該充電程序與該至少一放電程序彼此不重疊；其中，在該諧振操作模式中，該充電程序與該至少一放電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，該至少一電容包括N個該電容，其中該諧振操作模式包括一M轉一模式，其中N為大於等於2之自然數，且M為大於等於2且小於等於N+1的自然數；其中，該控制電路根據該第一電壓而決定M的值，並選擇使該切換電容轉換器操作於該M轉一模式；其中，於該M轉一模式中，該控制電路控制該複數開關，於該充電程序與該放電程序中，使得M-1個該電容與對應之單一該電感分別對應形成該充電路徑與該放電路徑並諧振操作。
  2. 如請求項1所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該控制訊號更包括一電感操作訊號，以控制該複數開關的切換，而使該切換電容轉換器操作於一電感切換模式，使該至少一電感的一端交替地耦接至該第一電壓或該直流電位，以將該第一電壓轉換為該第二電壓，並將該第二電壓維持於該第一預定範圍內，或將該第二電壓轉換為該第一電壓，並將該第一電壓維持於該第二預定範圍內。
  3. 如請求項2所述之切換電容式電壓轉換電路，其中於該諧振操作模式及/或該電感切換模式中，該控制電路調降該充電操作訊號及/或該放電操作訊號及/或該電感操作訊號之占空比，以於部分該複數開關導通時，使朝該第二電壓流動之電感電流處於一第一狀態，並於該複數開關皆不導通時，使流經對應之該電感之該電感電流經由至少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。
  4. 如請求項1所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該至少一電容包括兩個該電容，其中該諧振操作模式包括一二轉一模式及/或一三轉一模式；其中，該控制電路根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該二轉一模式或該三轉一模式；其中，於該二轉一模式中，該控制電路控制該複數開關，於該充電程序與該放電程序中，使得單一該電容與對應之單一該電感分別對應形成該充電路徑與該放電路徑並諧振操作；其中，於該三轉一模式中，該控制電路控制該複數開關，於該充電程序與該放電程序中，使得兩個該電容與對應之單一該電感分別對應形成該充電路徑與該放電路徑並諧振操作；其中於該二轉一模式中，該第一電壓為該第二電壓的兩倍；其中於該三轉一模式中，該第一電壓為該第二電壓的三倍。
  5. 如請求項4所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該控制電路根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該二轉一模式、該三轉一 模式及該電感切換模式中其中一者，以將該第二電壓維持於該第一預定範圍內。
  6. 如請求項2所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該電感切換模式包括一二階電感切換模式及/或一三階電感切換模式，該電感操作訊號包括一二階電感操作訊號及/或一三階電感操作訊號；其中，於該二階電感切換模式中，藉由該二階電感操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一電感的該端之電壓週期性地切換於該第一電壓及該直流電位之間，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，於該三階電感切換模式中，藉由該三階電感操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一電感的該端之電壓週期性地切換於該第一電壓、該第一電壓之二分之一及該直流電位之間，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。
  7. 如請求項6所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該控制電路根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該二轉一模式、該三轉一模式、該二階電感切換模式及該三階電感切換模式中其中一者，以將該第二電壓維持於該第一預定範圍內。
  8. 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串並聯式切換電容轉換器(series-parallel switched capacitor converter)。
  9. 如請求項8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)、四分之一串並聯式切換電容轉換器(4-to-1 series-parallel switched capacitor converter)或五分之一串並聯式切換電容轉換器(5-to-1 series-parallel switched capacitor converter)。
  10. 如請求項1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。
  11. 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而產生該控制訊號。
  12. 如請求項11所述之切換電容式電壓轉換電路，其中該控制電路更包括一電壓感測電路，用以感測該第二電壓或該第一電壓，以產生一電壓感測訊號，其中該控制訊號產生電路，於該電感切換模式中，更根據該電壓感測訊號而產生該電感操作訊號。
  13. 一種切換電容式電壓轉換方法，用以將一切換電容轉換器之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，該切換電容轉換器包括至少一電容、複數開關以及至少一電感，該切換電容式電壓轉換方法包含： 根據該第一電壓之位準，且以將該第二電壓維持於一第一預定範圍內為目標，而選擇該第一電壓與該第二電壓間之比例，進而產生一控制訊號，以將該第一電壓轉換為該第二電壓，或是根據該第二電壓之位準，且以將該第一電壓維持於一第二預定範圍內為目標，而選擇該第一電壓與該第二電壓間之比例，進而產生該控制訊號，以將該第二電壓轉換為該第一電壓；在一諧振操作模式之一充電程序中，藉由一充電操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一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，以形成一充電路徑並諧振操作；在該諧振操作模式之至少一放電程序中，藉由至少一放電操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一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放電路徑並諧振操作；其中，在該諧振操作模式中，該充電操作訊號與該至少一放電操作訊號，分別各自切換至一導通位準一段導通期間，且該複數段導通期間彼此不重疊，以使該充電程序與該至少一放電程序彼此不重疊；其中在該諧振操作模式中，該充電程序與該至少一放電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，該至少一電容包括N個該電容，其中該諧振操作模式包括一M轉一模式，其中N為大於等於2之自然數，且M為大於等於2且小於等於N+1的自然數；其中，根據該第一電壓而決定M的值，並選擇使該切換電容轉換器操作於該M轉一模式； 其中，於該M轉一模式中，控制該複數開關，於該充電程序與該放電程序中，使得M-1個該電容與對應之單一該電感分別對應形成該充電路徑與該放電路徑並諧振操作。
  14. 如請求項13所述之切換電容式電壓轉換方法，更包含：在一電感切換模式中，藉由一電感操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一電感的一端交替地耦接至該第一電壓或該直流電位，以將該第一電壓轉換為該第二電壓，並將該第二電壓維持於該第一預定範圍內，或將該第二電壓轉換為該第一電壓，並將該第一電壓維持於該第二預定範圍內。
  15. 如請求項14所述之切換電容式電壓轉換方法，更包含：於該諧振操作模式及/或該電感切換模式中，調降該充電操作訊號及/或該放電操作訊號及/或該電感操作訊號之占空比，以於部分該複數開關導通時，使朝該第二電壓流動之電感電流處於一第一狀態，並於該複數開關皆不導通時，使流經對應之該電感之該電感電流經由至少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。
  16. 如請求項13所述之切換電容式電壓轉換方法，其中該至少一電容包括兩個該電容，其中該諧振操作模式包括一二轉一模式及/或一三轉一模式；其中，根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該二轉一模式或該三轉一模式；其中，於該二轉一模式中，該充電操作訊號與該放電操作訊號控制該複數開關，於該充電程序與該放電程序中，使得單一該電容與對應之單一該電感分別對應形成該充電路徑與該放電路徑並諧振操作； 其中，於該三轉一模式中，該充電操作訊號與該放電操作訊號控制該複數開關，於該充電程序與該放電程序中，使得兩個該電容與對應之單一該電感分別對應形成該充電路徑與該放電路徑並諧振操作；其中於該二轉一模式中，該第一電壓為該第二電壓的兩倍；其中於該三轉一模式中，該第一電壓為該第二電壓的三倍。
  17. 如請求項16所述之切換電容式電壓轉換方法，其中根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該諧振操作模式或該電感切換模式之步驟包括根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該二轉一模式、該三轉一模式及該電感切換模式中其中一者，以將該第二電壓維持於該第一預定範圍內。
  18. 如請求項14所述之切換電容式電壓轉換方法，其中該電感切換模式包括一二階電感切換模式及/或一三階電感切換模式，該電感操作訊號包括一二階電感操作訊號及/或一三階電感操作訊號；其中，於該二階電感切換模式中，藉由該二階電感操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一電感的該端之電壓週期性地切換於該第一電壓及該直流電位之間，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，於該三階電感切換模式中，藉由該三階電感操作訊號控制該複數開關的切換，使該至少一電感的該端之電壓週期性地切換於該第一電壓、該第一電壓之二分之一及該直流電位之間，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。
  19. 如請求項18所述之切換電容式電壓轉換方法，其中根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該諧振操作模式或該電感切換模式 之步驟包括根據該第一電壓而選擇使該切換電容轉換器操作於該二轉一模式、該三轉一模式、該二階電感切換模式及該三階電感切換模式中其中一者，以將該第二電壓維持於該第一預定範圍內。
  20. 如請求項13所述之切換電容式電壓轉換方法，其中該切換電容轉換器包括串並聯式切換電容轉換器(series-parallel switched capacitor converter)。
  21. 如請求項20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)、四分之一串並聯式切換電容轉換器(4-to-1 series-parallel switched capacitor converter)或五分之一串並聯式切換電容轉換器(5-to-1 series-parallel switched capacitor converter)。
  22. 如請求項13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。
  23. 如請求項13所述之切換電容式電壓轉換方法，更包含：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而產生該充電操作訊號、該至少一放電操作訊號及該電感操作訊號。
  24. 如請求項23所述之切換電容式電壓轉換方法，更包含：感測該第二電壓或該第一電壓，以產生一電壓感測訊號，於該電感切換模式中，更根據該電壓感測訊號而產生該電感操作訊號。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150280553A1 (en) * 2008-05-08 2015-10-01 Massachusetts Institute Of Technology Power Converter With Capacitive Energy Transfer And Fast Dynamic Response
TWI742914B (zh) * 2020-06-08 2021-10-11 立錡科技股份有限公司 兩級電源轉換器
CN113659834A (zh) * 2018-03-29 2021-11-16 伏达半导体(合肥)有限公司 混合功率转换器
TW202144947A (zh) * 2020-05-20 2021-12-01 立錡科技股份有限公司 管線式之諧振與非諧振切換式電容轉換電路

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11341789A (ja) * 1998-05-20 1999-12-10 Stanley Electric Co Ltd スイッチトキャパシタ変成器およびその制御方法
US11418112B2 (en) * 2020-04-20 2022-08-16 Richtek Technology Corporation Power converter
TWI767346B (zh) * 2020-05-20 2022-06-11 立錡科技股份有限公司 諧振切換式電源轉換器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150280553A1 (en) * 2008-05-08 2015-10-01 Massachusetts Institute Of Technology Power Converter With Capacitive Energy Transfer And Fast Dynamic Response
CN113659834A (zh) * 2018-03-29 2021-11-16 伏达半导体(合肥)有限公司 混合功率转换器
TW202144947A (zh) * 2020-05-20 2021-12-01 立錡科技股份有限公司 管線式之諧振與非諧振切換式電容轉換電路
TWI742914B (zh) * 2020-06-08 2021-10-11 立錡科技股份有限公司 兩級電源轉換器

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