专利名称：电源供应模块及限流元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一致电源供应模块，尤指一种包含有磁性电容以及限流装置的电源供
应模块，该电源供应模块可保有磁性电容所具有的高能量储存密度与快速充放电等优点， 并且利用限流装置来保护电源供应模块的负载，使该电源供应模块可以广泛地应用各种领 域。
背景技术：
常见的电能储存装置中，电容与电池皆可额外运用为电源供应装置。但若以电容 作为一电源供应装置，则根据电容的放电原理，将有数十安培甚至上百安培的输出电流。如 此一来，造成实际应用上，必须对负载实行若干的保护措施，使负载不会被电容过大的输出 电流烧毁。然而，电容除了用以暂时性与条件性地(备用)供应电子电路中一部分的电能 外，显少作为大型装置的电力供应来源，因为与已知的电源供应装置相较，其能量储存密度 并不够高，若需具有相当的电源供应能力时，则由电容单独形成的电源供应装置将有相当 庞大的体积与重量。此外，由于电池透过化学反应来作为电能储存与释放的基础，因此本身 具有老化与充放电速率的先天缺憾，使得电池用来作为电源供应模块时，存在应用上的不 便。
发明内容
因此，本发明提供了一种结合磁性电容装置与限流装置的电源供应模块。通过对 磁性电容装置的输出电流作输出范围的限制，使得这种利用磁性电容作为电力输出的电源 供应装置可以广泛地应用于各种电路中。 依据本发明的一实施例，披露了一种电源供应模块。该电源供应模块包含一磁性 电容装置以及一限流装置。该磁性电容装置包含有至少一磁性电容，用以提供一输出电流。 该一限流装置耦接于该磁性电容装置，用以将该磁性电容装置所提供的该输出电流限制于 一预定范围之中。 此外，在一实施方式中，该限流装置包含有一电压差产生元件、一限流元件以及一 限流致能元件。该电压差产生元件包含一输入端以及一输出端，该输入端耦接于该磁性电 容装置，该电压差产生元件用以在该输出电流流过时在该输出端与该输入端之间提供一电 压差。该限流元件具有一输入端、一输出端以及一第一控制端，该限流元件的该输入端耦接 于该电压差产生元件的该输出端。该限流致能元件耦接于该限流元件的该第一控制端与该 电压差产生元件的该输入端之间，用以依据该电压差产生元件所产生的该电压差来选择性 地启动该限流元件以限制自该限流元件的该输出端所输出的电流。 在一优选实施例中，该电压差产生元件包含有一接成二极管形式的晶体管 (diode-connected transistor)，其漏极与源极分别作为该电压差产生元件的该输入端与 该输出端。该限流元件包含有一 P型掺杂区、一第一 N型掺杂区以及一第一绝缘层，该第一 绝缘层与该P型掺杂区分别接触于该第一 N型掺杂区的两侧，该第一绝缘层作为该限流元
4件的该第一控制端，以及该P型掺杂区提供一沟道，其两端分别作为该限流元件的该输入 端与该输出端，并且该限流元件另具有一第二 N型掺杂区以及一第二绝缘层，该第二绝缘 层与该P型掺杂区分别接触于该第二 N型掺杂区的两侧，以及该第二绝缘层作为该限流元 件的一第二控制端而耦接于该电压差产生元件的该输出端。该限流致能元件包含有一二极 管，其中该二极管的阳极耦接于该电压差产生元件的该输入端，以及该二极管的阴极耦接 于该限流元件的该第一控制端。 本发明中的限流装置的主要精神是通过将输出电流转换为一电压差，若该输出电 流越大，则该电压差越大。因此，该限流元件便依该电压差来对输出电流作限制；当输出电 流越大，限流元件对输出电流的限制作用也越强，以此可将输出电流的大小限定在一特定 范围内。 当该限流元件、该电压差产生元件与该限流致能元件以半导体的形式实施时，则 该电压差产生元件为一接成二极管形式的晶体管，在电路分析上等效为一电阻。首先将该 输出电流转换为一电压差，接着该限流元件的作用机制是通过对一 P型掺杂区、一 N型掺 杂区加诸一反向电压，其中该反向电压由该电压产生元件将该输出电流所转换而来的该电 压差，并且该输出电流亦流经该P型掺杂区所形成的P型沟道。又因其中的P-N结被反向 偏压，故对该输出电流造成抑制(耗尽区扩大的结果)，进而将该输出电流限制在预设范围 内。而该限流致能元件则是以P-N结为基础的一半导体二极管，用于当该输出电流大过预 设范围时，启动限流元件限制该输出电流的机制。 由于磁性电容可通过半导体工艺来制造，并且该限流装置中的各项元件亦可通过 半导体工艺来完成，因此本发明的电源供应模块可以制造在单一裸芯(die)中，进而使本 发明的可广泛地运用于不论是一般电路抑或集成电路中，使电路中的电源供应部分可更有 效地縮小。
图l为本发明电源供应模块的一实施例的功能方块示意图。图2为图1所示的电源供应模块的详细电路示意图
图3为本发明磁性电容与其他已知能量储存媒介的比较示意图。
图4为图2所示的磁性电容的一实施例的结构示意图。
图5为图4所示的第一磁性电极的一实施例的结构示意图。图6为图2所示的磁性电容装置的另一实施例的示意图。
附图标记说明100电源供应模块110磁性电容装置55、112磁性电容120限流装置220电压差产生元件311P型掺杂区313、315N型掺杂区317、319绝缘层
320 限流元件 420 限流致能源件 500 负载 31 、32 磁性电极 33 介电层 35、37、413、417 磁偶极 331、332 介面 412 、416 磁性层 414 隔离层
具体实施例方式
相较于传统电容与电池，本发明电源供应装置中所采用的磁性电容则具有令人满 意的体积与重量(甚至优于传统电池的体积与重量)，再加上优秀的充放电速率与不会老 化，因此排除了传统电容与电池可能具备的问题，所以磁性电容相当适合应用于电源供应 的领域，并且在应用上不再只是作为暂时性与较小的电能规模的供应，而可作为一主要的 电力来源，故对于负载的相关保护措施就有其存在的必要性。 请参考图l，其本发明电源供应模块的一实施例的功能方块示意图。本实施例中， 电源供应模块100包含有一磁性电容装置110以及一限流装置120，其中磁性电容装置110 用以提供一输出电流IJ)UT，而限流装置120用以将磁性电容装置110所提供的输出电流 I_0UT限制于一预定范围之中。此外，限流装置120包含有一电压差产生元件220、一限流 元件320以及一限流致能元件420。电压差产生元件220用以于输出电流I_OUT流过时提 供一电压差，而限流致能元件420依据电压差产生元件220所产生的电压差来选择性地启 动限流元件320以限制自限流元件320所输出的电流I_0UT'。 请参考图2，图2为图1所示的电源供应模块100的详细电路示意图。本实施例 中，磁性电容装置110包含有至少一磁性电容112。电压差产生元件220包含一输入端Nl 以及一输出端N2，其中输入端Nl耦接于磁性电容装置110。此外，限流元件320具有一输 入端N5、一输出端N6、一第一控制端326以及一第二控制端328，而限流元件320的输入端 N5则耦接于电压差产生元件220的输出端N2，并且第二控制端328耦接于输入端N5。限流 致能元件420具有输入端N3与输出端N4，其中限流致能元件420耦接于限流元件320的第 一控制端326与电压差产生元件220的输入端Nl之间。而电源供应模块100另耦接于一 负载500，作为负载500运作时所需的电力来源，在图2中，负载500以一电阻Rl来表示。
应注意的是，本实施例中的磁性电容装置110仅包含有一磁性电容112，但这并非 本发明的限制，换句话说，本发明的电源供应模块可以是包含一个或一个以上的磁性电容 所构成的电源供应模块。 在本实施例中，电压差产生元件220由一个接成二极管形式的晶体管 (diode-connected transistor)Ml来加以实作，其中漏极与源极分别作为电压差产生元件 220的输入端Nl与输出端N2。再者，限流元件320具有一 P型掺杂区311、一第一 N型掺杂区313、一第二 N型掺杂区315、一第一绝缘层317以及一第二绝缘层319、一第一金属层 321以及一第二金属层322。第二绝缘层319与P型掺杂区311分别接触于第二 N型掺杂 区315的两侧，以及第二金属层322与第二绝缘层319作为限流元件320的一第二控制端 328而耦接于电压差产生元件220的输出端N2 ;第一绝缘层317与P型掺杂区311分别接 触于第一 N型掺杂区313的两侧，其中第一绝缘层317与第一金属层321作为限流元件320 的第一控制端326，并且P型掺杂区311提供一沟道(P-cha皿el)，其两端分别作为限流元 件的输入端N5与输出端N6。最后，限流致能元件420由一二极管D1来加以实作，而如图所 示，二极管D1的阳极耦接于电压差产生元件220的输入端N1，以及二极管D1的阴极耦接于 限流元件320的第一控制端326。 以下将说明图2所示的限流装置120、磁性电容装置110以及负载500之间的运作 关系。磁性电容装置110以输出电流的方式来提供负载500所需的电力，故限流装置120 便依据负载500所能承受的最大电流值A皿来作为限流装置120对磁性电容装置110的输 出电流I_0UT的限制。透过对电压差产生元件220、限流元件320以及限流致能元件420进 行适当的参数设定，即可于磁性电容装置110的输出电流I_0UT高于AMX时，限制输出电流 I_0UT而使其不超过A皿。当输出电流I_0UT恰好达AMX时，此时限流致能元件420 ( 二极管 Dl)的两端电压差将达到导通的门槛(经由半导体的物理参数的设计)，因此二极管Dl便 因为顺向偏压而导通。请注意，以下电路行为的分析将忽视导通电压的存在，亦即，二极管 Dl导通时，输入端N3与输出点N4之间压降忽略不计。 故当限流致能元件420导通时，可视为电压差产生元件220的电压差(由流经的 输出电流I_0UT所造成，并存在于输入端Nl与输出端N2之间)传递到限流元件320的输 入端N5与第一控制端326，并且由于电压差产生元件220的输入端N1的电压准位高于输出 端N2的电压准位，故限流元件320的输入端N5的电压准位低于第一控制端326的电压准 位。请注意，上述的电压差由输出电流I_0UT的电流值乘上电压差产生元件220本身所等 效的电阻值而得。 因此，以上的结果将造成第一 N型掺杂区313与P型掺杂区311被反向偏压，使得 其P-N结的耗尽区扩大；第二 N型掺杂区315与P型掺杂区311则因第二控制端328与输 入端N5耦接，故不存在有电压差，使得其P-N结不会产生任何变化。又因第一 N型掺杂区 313与P型掺杂区311间的P-N结耗尽区扩大，使P型掺杂区311所形成P型沟道縮小，进 而造成由限流元件320的输入端N5流入且自其输出端N6流出的输出电流I_0UT'的电流 量被抑制，而达到限流的目的。 以下另外叙述本发明电源供应模块100所采用的磁性电容的运作原理。请参考图 3，图3为本发明磁性电容与其他已知能量存储介质的比较示意图。相较于主要以化学能方 式进行能量储存的其他已知能量存储介质(例如传统电池或超级电容)，其所能产生的瞬 间电力输出亦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。反观，由于磁性电容中存储的能量全部以电位能的 方式进行储存，磁性电容除了具有可匹配的高能量储存密度外，更因充分保有电容的特性， 而具有寿命长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点，故可 有效解决当前电池所遇到的各种问题。 请参考图4，图4为图2所示的磁性电容112的一实施例的结构示意图。如图4
7所示，磁性电容112包含有一第一磁性电极31、一第二磁性电极32以及位于其间的一介电 层33。第一磁性电极31与第二磁性电极32由具磁性的导电材料所构成，并通过适当的 外加电场进行磁化，使第一磁性电极31与第二磁性电极32内分别形成磁偶极(magnetic dipole)35与37，以在磁性电容112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112的漏电流。 所需要特别强调的是，图4中磁偶极35与37的箭头方向仅为范例说明。对本领 域的技术人员而言，应可了解到磁偶极35与37实际上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35与37最后形成的方向并无限定，可依磁性电容112的形 状进行调整，例如可指向同一方向或不同方向。介电层33则用来分隔第一磁性电极31与 第二磁性电极32，以于第一磁性电极31与第二磁性电极32处累积电荷而储存电位能。
在本发明的一实施例中，第一磁性电极31与第二磁性电极32包含有磁性导电材 料，例如稀土元素，介电层33由氧化钛(Ti0》、氧化钡钛(BaTi03)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31、第二磁性电极32与 介电层33均可视产品的需求而选用适当的其他材料。 进一步说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IO倍以上，而能够产生很庞大的磁阻效应。若进一步结合 Maxwe 1 I-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。
在已知电容中，电容值C由电容的面积A、介电层的介电常数e。、及厚度d决定，
如C = 然而在本发明中，磁性电容112主要利用第一磁性电极31与第二磁性电极^ 。
32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，故可在同样条件下，容纳更多的电荷，进而增加能量的储存密度。类比于已知电容， 磁性电容112的运作原理相当于通过磁场的作用来改变介电层33的介电常数，故造成电容 值的大幅提升。 此外，在本实施例中，第一磁性电极31与介电层33之间的介面331以及第二磁性 电极32与介电层33之间的介面332均为一不平坦的表面，以通过增加表面积A的方式，进 一步提升磁性电容112的电容值C。 接着，请参考图5，图5为图4所示的第一磁性电极31的一实施例的结构示意图。 如图5所示，第一磁性电极31为一多层结构，包含有一第一磁性层412、一隔离层414以及 一第二磁性层416，其中隔离层414由非磁性材料所构成，而第一磁性层412与第二磁性层 416则包含有具磁性的导电材料，并在磁化时，通过不同的外加电场，使得第一磁性层412 与第二磁性层414中的磁偶极413与417分别具有不同的方向，例如在本发明的一优选实 施例中，磁偶极413与417的方向为反向，而能进一步抑制磁性电容112的漏电流。此外， 需要强调的是，第一磁性电极31的结构并不限于前述的三层结构，而可以类似的方式，以 多个磁性层与非磁性层不断交错堆叠，再通过各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制 磁性电容112的漏电流，甚至达到几乎无漏电流的效果。此外，第二磁性电极32的结构亦 可采用上述第一磁性电极31的结构，此一设计变化亦属本发明的范畴。
此外，由于已知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112以电位能的方式进 行储存，如此一来可以提供更有效率的储能方式，因而本发明的磁性电容可作为一个优选 的电力供应来源。 请参考图6，图6为图2所示的磁性电容装置110的另一实施例的示意图。承前 所述，在本实施例中，利用半导体工艺于一硅基板上制作多个小尺寸的磁性电容55，并通过 适当的金属化工艺，于多个磁性电容55间形成电连接，从而构成一个包含有多个磁性电容 55的磁性电容装置110，再以磁性电容装置110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，磁性电容装置110内的多个磁性电容55以类似阵列的方式电连接， 然而本发明并不限于此，而可根据不同启动装置的电力供应需求，来调整磁性电容以串联、 并联或串并联的方式组成，以满足各种不同装置的电力供应需求。 总结来说，本发明的电源供应模块利用了磁性电容具备拥有快速充放电能力与不 易老化以及高能量储存密度等优点，辅以限流装置来对负载进行保护，且将所有元件于半 导体工艺中来制作，因而提供一种优秀的电源供应模块。 以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的等同变化与修 饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
一种电源供应模块，包含一磁性电容装置，包含有至少一磁性电容，用以提供一输出电流；以及一限流装置，耦接于该磁性电容装置，用以将该磁性电容装置所提供的该输出电流限制于一预定范围之中。
2. 如权利要求1所述的电源供应模块，其中该限流装置包含有一电压差产生元件，包含一输入端以及一输出端，该输入端耦接于该磁性电容装置，该电压差产生元件用以在该输出电流流过时在该输出端与该输入端之间提供一电压差；一限流元件，具有一输入端、一输出端以及一第一控制端，该限流元件的该输入端耦接于该电压差产生元件的该输出端；以及一限流致能元件，耦接于该限流元件的该第一控制端与该电压差产生元件的该输入端之间，用以依据该电压差产生元件所产生的该电压差来选择性地启动该限流元件以限制自该限流元件的该输出端所输出的电流。
3. 如权利要求2所述的电源供应模块，其中该电压差产生元件包含有一接成二极管形式的晶体管，其漏极与源极分别作为该电压差产生元件的该输入端与该输出端。
4. 如权利要求1所述的电源供应模块，其中该限流元件包含有一P型掺杂区、一第一N型掺杂区以及一第一绝缘层，该第一绝缘层与该P型掺杂区分别接触于该第一 N型掺杂区的两侧，该限流元件的该第一控制端包含该第一绝缘层，以及该P型掺杂区提供一沟道，其两端分别作为该限流元件的该输入端与该输出端。
5. 如权利要求4所述的电源供应模块，其中该限流元件还具有一第二 N型掺杂区以及一第二绝缘层，该第二绝缘层与该P型掺杂区分别接触于该第二 N型掺杂区的两侧，该限流元件的一第二控制端耦接于该电压差产生元件的该输出端且包含该第二绝缘层。
6. 如权利要求2所述的电源供应模块，其中该限流致能元件包含有一二极管，该二极管的阳极耦接于该电压差产生元件的该输入端，以及该二极管的阴极耦接于该限流元件的该第一控制端。
7. 如权利要求1所述的电源供应模块，其中该磁性电容装置与该限流装置均设置于同一裸芯中。
8. 如权利要求1所述的电源供应模块，其中该磁性电容包含有一第一磁性电极，其由具有磁性的导电材料构成，用以形成一第一磁偶极；一第二磁性电极，其由具有磁性的导电材料构成，用以形成具有一第二磁偶极；以及一介电层，设置于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间，其中该第一磁偶极的方向相异于该第二磁偶极的方向。
9. 如权利要求8所述的电源供应模块，其中该第一磁性电极包含有一第一磁性层，其由具磁性的导电材料构成，用以形成具有一第三磁偶极；一第二磁性层，其由具磁性的导电材料构成，用以形成一第四磁偶极；以及一隔离层，其由非磁性物质所构成并设置于该第一磁性层与该第二磁性层之间，其中该第一磁偶极由该第三磁偶极与该第四磁偶极所构成，其中该第三磁偶极的方向相异于该第四磁偶极的方向。
10. —种限流元件，具有一输入端、一输出端以及一第一控制端以及一第二控制端，该限流元件包含有一 P型掺杂区、一第一 N型掺杂区以及一第一绝缘层，该第一绝缘层与该P型掺杂区分别接触于该第一 N型掺杂区的两侧，该限流元件的该第一控制端包含该第一绝缘层，以及该P型掺杂区提供一沟道，其两端分别作为该限流元件的该输入端与该输出端；其中该限流元件依据存在于该输入端与该第一控制端的一电压差来改变流经该输入端与该输出端间的一电流大小。
11.如权利要求IO所述的限流元件，其中该限流元件另具有一第二N型掺杂区以及一第二绝缘层，该第二绝缘层与该P型掺杂区分别接触于该第二N型掺杂区的两侧，该限流元件的一第二控制端包含该第二绝缘层。
全文摘要
本发明提供一种电源供应模块及限流元件。该电源供应模块包含有一磁性电容装置以及一限流装置。该磁性电容装置包含有至少一磁性电容，用以提供一输出电流。该限流装置耦接于该磁性电容装置，用于将该磁性电容装置所提供的该输出电流限制于一预定范围之中。利用该限流装置来限定该输出电流的输出值，因而使该电源供应模块连接的负载不至于因输出电流过大而造成毁坏。
文档编号H02J15/00GK101714783SQ200810161978
公开日2010年5月26日 申请日期2008年10月6日 优先权日2008年10月6日
发明者周锦城 申请人:光宝科技股份有限公司