专利名称：定电流源电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电流源电路，特别是涉及一种可以提供定电流输出的定电流源电路。
背景技术：
随着科技的进步，人们对于移动电话(Mobile Phone)、个人数码助理(PDA)及笔记型电脑(Notebook)等移动式3C产品的需求也越来越多，而这些产品皆需要储能元件来当作其系统的供电来源。就目前而言，应用上大都是利用电池、电容或超级电容(Super capacitor)作为能量储存的元件。
电容虽然在制造工艺(即制程，以下均称为制造工艺)上较为简单，但因其储存容量小，只能当做短暂储能使用。而传统电池，主要是利用化学能的方式来进行能量储存，因此其能量储存密度明显优于一般电容，而可应用于各种电力供应装置，但是，缺点是其所能产生的瞬间电力输出会受限于化学反应速率，而无法快速的充放电或进行高功率输出，且充放电次数有限，过度充放时易滋生各种问题；例如目前所使用的蓄电池，虽然标榜着可重复使用，但还是有其寿命的限制。在多次充放电或长时间不使用的情况下，蓄电池的容量会下降，且容易损坏，原因在于蓄电池是利用化学能转换为电能，化学物质要常保其活性，才不至于失效变质，当原来的化合物活性都作用完或将近用完时，便无法再进行新的化学反应，进而导致蓄电池老化而宣告寿终。
超级电容是一种介于电池与电容间的元件，又称双电层电容(Electrical Double-Layer Capacitor)，因同时通过部分物理储能、部分化学储能架构，所以其具有比普通电容更大的容量，但其缺点是因有化学材料而具化学特性，而易有如电池的漏电缺点，又加上因还有部分是物理特性的放电速度快的现象，如此一来就产生很快就会没电的现象，无法达到有效蓄电功能。甚至，超级电容的耐压度不高，内阻较大，因而不可以用于交流电路，且如果使用不当会造成电解质泄漏等现象。
此外，在现今移动式3C产品中，大都是使用半导体电流镜的方式，并以上述储能元件当作供应电源，来实现一个可提供固定电流的电流源。
由此可见，上述现有的定电流源电路在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型结构的定电流源电路，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的定电流源电路存在的缺陷，而提供一种新型结构的定电流源电路，所要解决的技术问题是使其可以提供一定电流输出，非常适于实用。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为达到上述目的，本发明定电流源电路用以供电一负载，并包含一磁性电容及一电阻电路。其中，磁性电容用于输出一电压至耦接磁性电容与负载之间的电阻电路，而电阻电路的电阻值会和磁性电容所输出的电压与负载之间的跨电压的电压差成正比，且电阻电路的电阻值会随磁性电容输出的电压值递减而递减，以稳定定电流源电路输出的电流值。
本发明的磁性电容是一种新颖的储能元件，且较现有的电池、电容、超级电容具有许多优点，其用于输出一电力并具有一第一磁性电极、一第二磁性电极以及位于其间的一介电层，第一磁性电极与第二磁性电极系由具磁性的导电材料构成，且第一磁性电极的磁耦极方向相同，而第二磁性电极的磁耦极方向相同，但第二磁性电极可与第一磁性电极的磁耦极方向相反。再者，第一磁性电极与第二磁性电极中的至少一者具有一第一磁性层、一第二磁性层与一夹置于第一磁性层与第二磁性层间且非磁性材质的隔离层。
较佳地，本发明的第一磁性电极与第二磁性电极的材质为稀土元素，而介电层的材质为氧化钛(TiO3)或氧化钡钛(BaTiO3)或一半导体材质。
较佳地，本发明的电阻电路具有一电压频率转换器及一切换电容电路。其中电压频率转换器可为一压控振荡器，且耦接于磁性电容并输出一脉波信号，而该脉波信号的频率值随磁性电容所输出的电压值递增而递减。
此外，切换电容电路具有一电容及一耦接电压频率转换器与电容的切换器，切换器会根据电压频率转换器所发出的脉波信号使电容交替地耦接于磁性电容与负载其中之一。
借由上述技术方案，本发明定电流源电路至少具有下列优点及有益效果本发明的有益效果在于可以提供一个稳定且固定的定电流。
综上所述，本发明是有关于一种定电流源电路，用以供电一负载，该定电流源电路包含一磁性电容及一电阻电路。其中，本发明的磁性电容是一种新颖的储能元件，且较现有的电池、电容、超级电容具有许多优点，其用于输出一电力并具有一第一磁性电极、一第二磁性电极以及位于其间的一介电层，第一磁性电极与第二磁性电极是由具磁性的导电材料构成。而电阻电路耦接磁性电容与负载间，且电阻电路的电阻值和磁性电容所输出的电压与负载间的电压差成正比，以稳定定电流源电路的输出电流值。本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
图1是一电路示意图，说明本发明定电流源电路的较佳实施例。
图2是一比较示意图，说明本发明的磁性电容与其他现有能量储存媒介的比较。
图3是一结构示意图，说明本发明的磁性电容的结构。
图4是一结构示意图，说明为本发明的磁性电容的第一磁性电极另一种的结构。
图5是一结构示意图，说明本发明的磁性电容的另一示意图。
图6是一波形图，说明本发明的电压频率转换器的输入电压与输出信号频率的关系。
具体实施例方式 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的定电流源电路其具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1所示，为本发明定电流源电路的较佳实施例，该定电流源电路1用以提供一定电流I给一负载2，并包含一磁性电容3及一电阻电路4。磁性电容3用于输出一电压V至耦接磁性电容3与负载2之间的电阻电路4，而电阻电路4的电阻值Req会和磁性电容3所输出的电压V与负载2之间的跨电压VL的电压差成正比，且电阻电路4的电阻值Req会随电压V的电压值的递减而递减，以稳定定电流源电路1输出的电流值I。值得一提的是，在本实施例中，负载2为一个具有固定跨电压VL的发光二极管(LED)，所以磁性电容3所输出的电压V将会决定电阻电路4的电阻值Req如何变化。
因为本发明中的磁性电容3是一种新颖的储能元件，且较现有的电池、电容、超级电容具有许多优点，因此以下先对磁性电容3作一介绍，之后再详述电阻电路4的内部元件关系，以及其电阻值Req如何随着磁性电容3所输出的电压V变化，以至于定电流源电路1可输出定电流I。
请参阅图2所示，是本实施例的磁性电容与其他现有能量储存媒介的比较示意图。如图2所示，由于现有能量储存媒介(例如传统电池或超级电容)主要是利用化学能的方式来进行能量储存，因此其能量储存密度将会明显优于一般电容，而可应用于各种电力供应装置。但在此同时，其所能产生的瞬间电力输出也会受限于化学反应速率，而无法快速的充放电或进行高功率输出，且充放电次数有限，过度充放时易滋生各种问题。
相较于此，由于磁性电容3中储存的能量全部是以电位能的方式进行储存，因此，除了具有可与一般电池或超级电容匹配的能量储存密度外，更因充分保有电容的特性，而具有寿命长(高充放电次数)、高能量储存密度、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点，所以可有效解决当前电池所遇到的各种问题。
请参阅图3所示，是本发明的磁性电容3的结构示意图。如图3所示，磁性电容3是包含有一第一磁性电极110、一第二磁性电极120，以及位于其间的一介电层130。其中第一磁性电极110与第二磁性电极120是由具磁性的导电材料所构成，并借由适当的外加电场进行磁化，使第一磁性电极110与第二磁性电极120内分别形成磁偶极(magenetic dipole)115与125，以在磁性电容3内部构成一磁场，对带电粒子的移动造成影响，从而抑制磁性电容20的漏电流。
所需要特别强调的是，图3中的磁偶极115与125的箭头方向仅为一示意图。对熟习该项技艺者而言，应可了解到磁偶极115与125实际上是由多个整齐排列的微小磁偶极所叠加而成，且在本发明中，磁偶极115与125最后形成的方向并无限定，例如可指向同一方向或不同方向。介电层130则是用来分隔第一磁性电极110与第二磁性电极120，以在第一磁性电极110与第二磁性电极120处累积电荷，储存电位能。在本发明的一实施例中，第一磁性电极110与第二磁性电极120是包含有磁性导电材质，例如稀土元素，介电层130是由氧化钛(TiO3)、氧化钡钛(BaTiO3)或一半导体层，例如氧化硅(silicon oxide)所构成。然而本发明并不限于此，第一磁性电极110、第二磁性电极120与介电层130均可视产品的需求而选用适当的其他材料。
比喻说明本发明磁性电容的操作原理如下。物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为“磁阻效应”，磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象。通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值高出10倍以上，而能够产生很庞大的磁阻效应。若是进一步结合麦克斯韦-瓦格纳(Maxwel1-Wagner)电路模型，磁性颗粒复合介质中也可能会产生很庞大的磁电容效应。
在现有电容中，电容值C是由电容的面积A、介电层的介电常数ε0εr及厚度d决定，如下式。然而在本发明中，磁性电容3主要利用第一磁性电极110与第二磁性电极120中整齐排列的磁偶极来形成磁场来，使内部储存的电子朝同一自旋方向转动，进行整齐的排列，所以可在同样条件下，容纳更多的电荷，进而增加能量的储存密度。类比于现有电容，磁性电容3的运作原理相当于借由磁场的作用来改变介电层130的介电常数，因此造成电容值的大幅提升。
此外，在本实施例中，第一磁性电极110与介电层130之间的介面131以及第二磁性电极120与介电层130之间的介面132均为一不平坦的表面，以借由增加表面积A的方式，进一步提升磁性电容3的电容值C。
请参阅图4所示，是本发明的磁性电容的第一磁性电极110另一种的结构示意图。如图4所示，第一磁性电极110是为一多层结构，包含有一第一磁性层112、一隔离层114以及一第二磁性层116。其中隔离层114是由非磁性的导电材料所构成，例如铜，而第一磁性层112与第二磁性层116则包含有具磁性的导电材料，并在磁化时，借由适当的外加磁场，使得第一磁性层112与第二磁性层114中的磁偶极113与117分别具有不同的方向，例如在本发明的较佳实施例中，磁偶极113与117的方向是为反向，而能进一步抑制磁性电容3的漏电流。此外，需要强调的是，磁性电极110的结构并不限于前述的三层结构，而可以类似的方式，以多数个磁性层与非磁性导电层不断交错堆叠，再借由各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制磁性电容3的漏电流，甚至达到几乎无漏电流的效果。
此外，由于现有储能元件多半以化学能的方式进行储存，因此都需要有一定的尺寸，否则往往会造成效率的大幅下降。相较于此，本发明的磁性电容3是以电位能的方式进行储存，且因所使用的材料可适用于半导体制造工艺(即制程，以下均称为制造工艺)，所以可借由适当的半导体制造工艺来形成磁性电容3以及周边电路连接，进而缩小磁性电容3的体积与重量，由于此制作方法可使用一般半导体制造工艺，其应为熟习该项技艺者所熟知，所以在此不予赘述。
请参阅图5所示，是本发明的磁性电容的另一示意图。承前所述，在本实施例中，是利用半导体制造工艺在一硅基板上制作多数个小尺寸的磁性电容3’，并借由适当的金属化制造工艺，在该多数个小尺寸的磁性电容3’间形成电连接，从而构成一个包含有多个小尺寸的磁性电容3’的磁性电容组3，再以磁性电容组3作为能量储存装置或外部装置的电力供应来源。在本实施例中，磁性电容组3内的多数个小尺寸的磁性电容3’是以类似阵列的方式电连接，然而本发明并不限于此，而可根据不同的电压或电容值需求，进行适当的串联或并联，以满足各种不同装置的电力供应需求。
请再参阅图1所示，本实施例的电阻电路4包括一电压频率转换器41及一切换电容电路42。电压频率转换器41可为一压控振荡器(VoltageControl Oscillator，VCO)，配合参阅图6，图6为电压频率转换器41的输入电压与输出信号频率的关系图。电压频率转换器41输出信号的频率会随着其输入的电压增加而降低。此外，电压频率转换器41会耦接于磁性电容3并侦测磁性电容3所输出的电压V，且将其电压V对应转换成一个脉波信号输出至切换电容电路42。就一般而言，磁性电容3的电压V会随着使用时间渐渐衰减，也就是说，电压频率转换器41所输出的脉波信号的频率将会越来越快。
再者，切换电容电路42会具有一电容43及一耦接电压频率转换器41与电容43的切换器44，切换器44会受电压频率转换器41所输出的脉波信号控制，使电容43交替地与磁性电容3或负载2相耦接。当电容43耦接于磁性电容3时，电容43为充电状态，于是磁性电容3所输出的电压V会对电容43充电，使其累积的电荷量为Q1＝CV，其中C为电容43的容值。而当切换器44切换电容43与负载2相连接时，电容43为放电状态，因此电容43所累积的电荷量降为Q2＝CVL，所以在脉波信号的一周期内的平均电流为 因此，切换电容电路42通过切换器44的切换，可等效出的电阻值Req为 由上式可知，切换电容电路42的等效电阻值Req会与切换器44的切换频率成反比，也就是说，切换器44切换的频率越快，切换电容电路42所等效出来的电阻值Req会越小。又，本实施例的电压频率转换器41所输出的信号的频率会随着磁性电容3输出的电压V增加而降低，也就是说，磁性电容3输出的电压V会与切换电容电路42的等效电阻值Req成正比，如此一来，当磁性电容3的电压V随着使用时间渐渐衰减时，切换电容电路42的电阻值Req也会随之减少，又在一个固定的负载2下，本发明的定电流源电路1将会有一个固定的电流I输出。
值得一提的是，本实施例的定电流源电路1还包含一电容5，当磁性电容3所储存的电压V随着使用时间渐渐衰减时，会导致电压频率转换器41输出信号的频率越来越高，使得切换器44在切换的瞬间会产生许多高频的杂讯，而该电容5可以过滤这些高频的杂讯，使定电流源电路1能有一个更稳定的输出电流I。
综上所述，本发明的定电流源电路借由侦测一个磁性电容的电压，并根据该电压去控制定电流源电路输出电流通过的电阻的阻值，使定电流源电路得以产生一个固定的输出电流。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种定电流源电路，用以供电一负载，其特征在于该定电流源电路包含
一磁性电容，用于输出一电力并具有一第一磁性电极、一第二磁性电极及位于其间的一介电层，该第一磁性电极与第二磁性电极是由具磁性的导电材料构成；以及
一电阻电路，耦接该磁性电容与该负载间，且该电阻电路的电阻值与该磁性电容和该负载间的电压差成正比且随该磁性电容的电压递减而递减，以稳定该电力的电流值。
2.如权利要求1所述的定电流源电路，其特征在于该电阻电路具有
一电压频率转换器，耦接于该磁性电容并输出一脉波信号，该脉波信号的频率值随该磁性电容的电压值递减而递减；以及
一切换电容电路，耦接该电压频率转换器以接收该脉波信号，并根据该脉波信号而被切换耦接于该磁性电容与该负载的其中之一。
3.如权利要求2所述的定电流源电路，其特征在于该切换电容电路具有一电容及一耦接该电压频率转换器与该电容的切换器，该切换器根据该脉波信号使该电容交替地耦接于该磁性电容与该负载其中之一。
4.如权利要求3所述的定电流源电路，其特征在于该定电流源电路还包含一并联该电阻电路的电容。
5.如权利要求4所述的定电流源电路，其特征在于该电压频率转换器为一电压控制振荡器。
6.如权利要求5所述的定电流源电路，其特征在于该第一磁性电极具有一第一磁性层、一第二磁性层与一夹置于该第一磁性层与该第二磁性层间的隔离层，该隔离层由非磁性的导电材料所构成。
7.如权利要求6所述的定电流源电路，其特征在于该第一磁性层包含有多数个成第一方向排列的磁偶极，而该第二磁性层包含有多数个成第二方向排列的磁偶极，该第一方向与该第二方向相反。
8.如权利要求7所述的定电流源电路，其特征在于该第一磁性电极与第二磁性电极的材质为稀土元素，该介电层的材质为氧化钛或氧化钡钛或一半导体材质。
9.如权利要求8所述的定电流源电路，其特征在于该半导体材质为氧化硅。
全文摘要
本发明是有关于一种定电流源电路，用以供电一负载，该定电流源电路包含一磁性电容，用于输出一电力并具有一第一磁性电极、一第二磁性电极及位于其间的一介电层，该第一磁性电极与第二磁性电极是由具磁性的导电材料构成；以及一电阻电路，耦接该磁性电容与该负载间，且该电阻电路的电阻值与该磁性电容和该负载间的电压差成正比且随该磁性电容的电压递减而递减，以稳定该电力的电流值。本发明的有益效果在于可以提供一个稳定且固定的定电流。
文档编号G05F1/46GK101751059SQ20081017899
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月3日 优先权日2008年12月3日
发明者周锦城 申请人:光宝科技股份有限公司