电容式电源转换电路与充电控制方法与流程

本发明涉及一种电容式电源转换电路，特别是指一种可双向进行倍增电流或倍增电压的电容式电源转换电路。本发明也涉及用于电容式电源转换电路中的充电控制方法。

背景技术：

图1揭示一种现有技术的充电电路(充电电路1)，其包含一具有直接充电能力的电源适配器(adaptor)11，可提供充电电流ichg经由一缆线20(例如usb缆线)以及一负载开关40(loadswitch)对一电池50进行恒定电流(cc,constantcurrent)充电，其中直流电流idc与充电电流ichg大致上相等。然而图1中所示的现有技术，在使用例如usb缆线等标准缆线的情况下，其缆线的电流限额一般来说相对较低，例如约为5a或以下，充电时间因而较长。若欲加速充电时间而提高充电电流(例如8a或以上)，则必须使用线径较粗的专用快速充电缆线，除了因使用非标准缆线造成使用者的不便之外，快速充电缆线也因为线径较粗不易挠曲而不便于使用。

图2a揭示另一种现有技术的充电电路(充电电路2)，其包含一切换式转换电路60，在充电模式下，可将电源适配器11所提供的电源(例如但不限于usbpd的5v或9v或12v的vbus)转换为充电电流ichg，而对电池50进行恒定电流(cc,constantcurrent)充电，在此现有技术中，充电电流ichg可大于直流电流idc。而在供电模式下，图2a的现有技术亦可支持usbotg(on-the-go)规格，请参阅图2b，其中切换式转换电路60可逆向地将电池电压vbat转换成为符合usbotg规格的输出电源(例如符合usb或usbpd的vbus)，用以例如供电于一otg规格的负载(未示出)。图2a与图2b中所示的现有技术的缺点在于，特别在相对较大的恒定充电电流ichg需求下，切换式充电电路60中，难以选用合适规格的电感器与开关(未示出)来兼顾充电电流量、电流涟波幅度、开关导通电阻、能量转换效率等各种参数的优化，导致设计优化不易达成。

本发明相较于图1的现有技术，其优点在于可提供倍增的充电电流对电池充电，可缩短充电时间，却又可以使用如usb缆线等标准缆线，在相对较低的缆线电流下操作，方便使用者的应用，而本发明相较于图2a与图2b的现有技术而言，具有无需电感器，缩小尺寸，降低成本，以及零件选用易于优化以达最佳能量转换效率等优点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种电容式电源转换电路与充电控制方法，能够提供倍增的充电电流对电池充电，可缩短充电时间，却又可以使用如usb缆线等标准缆线，在相对较低的缆线电流下操作，方便使用者的应用；另外，具有无需电感器，缩小尺寸，降低成本，以及零件选用易于优化以达最佳能量转换效率等优点。

为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种电容式电源转换电路，用以在一充电模式下，将一汇流节点上的一直流电源转换为一充电电源而对一电池充电，其中该充电电源包括一充电电压以及一充电电流，该电池具有一电池电压，且用以在一供电模式下，将该电池电压转换成为一供电电压；其中该直流电源包括一直流电压以及一直流电流；该电容式电源转换电路包括：一转换开关电路，包括多个转换开关，与一或多个转换电容器耦接；以及一转换控制电路，用以产生一开关控制讯号，以控制该多个转换开关；其中于该充电模式下，一电源发送单元转换一输入电源而于该汇流节点上产生该直流电源，该电源发送单元调节该直流电流于一预设的直流电流位准，且该开关控制讯号于多个充电转换时段中，对应操作该多个转换开关，使该一或多个转换电容器周期性地对应耦接于一或多个充电比例电压节点、该汇流节点、以及一接地点其中的一对节点之间，使得该充电电流的位准大致上为该预设的直流电流位准的一默认的增流倍数(currentscale-upfactor)；其中该充电电源耦接于该一或多个充电比例电压节点中的一节点；且其中于该供电模式下，该开关控制讯号于多个供电转换时段中，对应操作该多个转换开关，使该一或多个转换电容器周期性地对应耦接于一或多个供电比例电压节点、该电池电压、以及该接地点其中的一对节点之间，而于该一或多个供电比例电压节点中的一节点产生一输出讯号，且根据该输出讯号而于该汇流节点上产生一供电电压，使得该供电电压的位准大致上为该电池电压位准的一默认的增压倍数(voltagescale-upfactor)。

在一较佳实施例中，该转换电容器包括第一与第二转换电容器，该多个供电转换时段包括三供电转换时段；其中于该供电模式下，该开关控制讯号控制该多个转换开关，于该三供电转换时段中，使该第一与第二转换电容器周期性地对应耦接于该多个供电比例电压节点、该电池电压、以及该接地点其中的一对节点之间，使得该增压倍数大致上为4/3，其中于一稳态(steady)时，该第一与第二转换电容器的跨压分别大致上为该电池电压的2/3与1/3。

在一较佳实施例中，该转换电容器包括第一与第二转换电容器，该多个供电转换时段包括二供电转换时段；其中于该供电模式下，该开关控制讯号控制该多个转换开关，于该二供电转换时段中，使该第一与第二转换电容器周期性地对应耦接于该多个供电比例电压节点、该电池电压、以及该接地点其中的一对节点之间，使得该增压倍数大致上为3/2，其中于一稳态(steady)时，该第一与第二转换电容器的跨压皆大致上为该电池电压的1/2。

在一较佳实施例中，该转换电容器包括第一与第二转换电容器，该多个充电转换时段包括第一与第二充电转换时段；其中于该充电模式下，该转换控制电路控制该多个转换开关，使该第一转换电容器的第一端于该第一充电转换时段与该第二充电转换时段中分别对应切换而电性连接于该直流电压与该充电电压之间，且使该第一转换电容器的第二端于该第一充电转换时段与该第二充电转换时段中分别对应切换而电性连接于该充电电压与该接地点之间，且使该第二转换电容器的第一端于该第二充电转换时段与该第一充电转换时段中分别对应切换而电性连接于该直流电压与该充电电压之间，且使该第二转换电容器的第二端于该第二充电转换时段与该第一充电转换时段中分别对应切换而电性连接于该充电电压与该接地点之间，使得该充电电流的位准大致上为该预设的直流电流位准的2倍。

在一较佳实施例中，该电容式电源转换电路还包括一线性调节开关电路，用以于该供电模式下，转换该输出讯号于该汇流节点上产生该供电电压，其中该转换控制电路还产生一线性调节讯号，用以线性地控制该线性调节开关电路的一调节开关，使得该供电电压的位准调节于一默认的输出电压位准；且于该充电模式下，该调节开关受控制为导通状态。

在一较佳实施例中，于该供电模式下，该转换控制电路还根据一电池电压相关讯号而确定该默认的增压倍数，使该输出讯号接近但大于该供电电压，使得该调节开关的输入端与输出端之间的跨压小于一默认的压差电压(dropoutvoltage)。

在一较佳实施例中，该输入电源符合通用串行总线规范或通用串行总线供电规范(usborusbpd)，且该供电电压符合通用串行总线on-the-go规范(usbotg)。

为达上述目的，就另一个观点言，本发明也提供了一种电源转换控制方法，包含：在一充电模式下，以一电容式电源转换电路将一汇流节点上的一直流电源转换为一充电电源而对一电池充电，其中该充电电源包括一充电电压以及一充电电流，该电池具有一电池电压；以及在一供电模式下，以该电容式电源转换电路将该电池电压转换成为一供电电压；其中一电源发送单元转换一输入电源而于该汇流节点上产生该直流电源，该直流电源包括一直流电压以及一直流电流；其中该电容式电源转换电路包括一转换开关电路，包括多个转换开关，与一或多个转换电容器耦接；其中于该充电模式下，将该直流电源转换为该充电电源的步骤包含：调节该直流电流于一预设的直流电流位准；于多个充电转换时段中，对应操作该多个转换开关，使该一或多个转换电容器周期性地对应耦接于一或多个充电比例电压节点、该直流电压、以及一接地点其中的一对节点之间，使得该充电电流的位准大致上为该预设的直流电流位准的一默认的增流倍数(currentscale-upfactor)；以及将该充电电源耦接于该一或多个充电比例电压节点中的一节点；其中于该供电模式下，将该电池电压转换成为该供电电压的步骤包含：于多个供电转换时段中，对应操作该多个转换开关，使该一或多个转换电容器周期性地对应耦接于一或多个供电比例电压节点、该电池电压、以及该接地点其中的一对节点之间，而于该一或多个供电比例电压节点中的一节点产生一输出讯号；以及根据该输出讯号而于该汇流节点上产生该供电电压，使得该供电电压的位准大致上为该电池电压位准的一默认的增压倍数(voltagescale-upfactor)。

在一较佳实施例中，该转换电容器包括第一与第二转换电容器，该多个供电转换时段包括三供电转换时段；其中于该供电模式下，将该电池电压转换成为该供电电压的步骤包含：于该三供电转换时段中，使该第一与第二转换电容器周期性地对应耦接于该多个供电比例电压节点、该电池电压、以及该接地点其中的一对节点之间，使得该增压倍数大致上为4/3，其中于一稳态(steady)时，该第一与第二转换电容器的跨压分别大致上为该电池电压的2/3与1/3。

在一较佳实施例中，该转换电容器包括第一与第二转换电容器，该多个供电转换时段包括二供电转换时段；其中于该供电模式下，将该电池电压转换成为该供电电压的步骤包含：于该二供电转换时段中，使该第一与第二转换电容器周期性地对应耦接于该多个供电比例电压节点、该电池电压、以及该接地点其中的一对节点之间，使得该增压倍数大致上为3/2，其中于一稳态(steady)时，该第一与第二转换电容器的跨压皆大致上为该电池电压的1/2。

在一较佳实施例中，该电源转换控制方法还包括：于该供电模式下，线性地控制一线性调节开关电路的一调节开关，以转换该输出讯号于该汇流节点上产生该供电电压，其中该供电电压的位准调节于一默认的输出电压位准；且于该充电模式下，控制该调节开关为导通状态。

在一较佳实施例中，于该供电模式下，还根据一电池电压相关讯号而确定该默认的增压倍数，使该输出讯号接近但大于该供电电压，使得该调节开关的输入端与输出端之间的跨压小于一默认的压差电压(dropoutvoltage)。

以下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1显示一种现有技术的充电电路的示意图；

图2显示一种现有技术的充电电路的示意图；

图3显示本发明的电容式电源转换电路的一实施例的示意图；

图4显示本发明的电容式电源转换电路的一实施例的示意图；

图5a与图5b显示本发明的电容式电源转换电路的一实施例的示意图；

图6显示本发明的电容式电源转换电路的一具体实施例的示意图；

图7a与图7b显示本发明的电容式电源转换电路的等效电路示意图。

具体实施方式

请参阅图3，图中所示为本发明的电容式电源转换电路的一种实施例(电容式电源转换电路30)的示意图，如图所示，电容式电源转换电路30用以在一充电模式下，将一汇流节点bn上的一直流电源转换为一充电电源而对一电池50充电，其中该充电电源包括一充电电压vchg以及一充电电流ichg，该电池具有一电池电压vbat，其中该直流电源包括一直流电压vdc以及一直流电流idc；电容式电源转换电路30包括：一转换开关电路31，包括多个转换开关(未示出)，与一转换电容器(例如图3中的c1)或多个转换电容器(例如图3中的c1-cn，其中n为自然数)耦接；以及一转换控制电路32，用以产生一开关控制讯号ctrl，以控制该多个转换开关。如图所示，一电源发送单元10转换一输入电源而于汇流节点bn上产生所述的直流电源，所述电源发送单元10可例如为一电源适配器，将交流形式的输入电源转换为前述的直流电源，或可为一直流直流转换电路，将来自例如行动电源(powerbank)的输入电源转换为前述的直流电源；在一实施例中，电源发送单元10可支持恒定电流直接充电模式，不经过电容式电源转换电路30的控制而直接对电池50充电(相关线路未示出)。其中于充电模式下，电源发送单元10调节该直流电流idc于一预设的直流电流位准，且该开关控制讯号ctrl于多个充电转换时段中，对应操作该多个转换开关，使该一或多个转换电容器(c1或c1-cn)周期性地对应耦接于一或多个充电比例电压节点(例如对应图3中的nd1或nd1-ndm，其中m为自然数)、该汇流节点bn、以及一接地点其中的一对节点之间，使得充电电流ichg的位准大致上为该直流电流idc的预设直流电流位准的一默认的增流倍数(currentscale-upfactor)k，在一较佳实施例中，k为大于1的实数，亦即，充电电流ichg大于直流电流idc，因此本发明的电容式电源转换电路可以在直流电流idc不变的情况下，以相对较大的充电电流ichg对电池50充电，缩短充电时间；其中该充电电源耦接于该一或多个充电比例电压节点中的一节点(例如对应图3中的nd1)，而经由该节点产生该充电电流ichg。在一实施例中，电容式电源转换电路30例如但不限于可包含除法式的电荷泵(dividerchargepump)。

需说明的是：因电路零件的本身的寄生效应或是零件间相互的匹配不一定为理想，因此，虽然欲使充电电流ichg的位准大致上为该预设的直流电流位准的一默认的增流倍数k，但实际产生的充电电流ichg的位准可能并不是预设的直流电流位准的准确的k倍，而仅是接近k倍，此即前述的“大致上”为该预设的直流电流位准的一默认的增流倍数k之意，本文中其他提到“「大致上”之处亦同。此外值得注意的是，在具有多个充电比例电压节点的实施例中，所述的增流倍数k，会随着充电电源耦接的节点而有所不同；而在仅有一个充电比例电压节点的实施例中，增流倍数k为2，亦即充电电流ichg的位准大致上为该预设的直流电流位准的2倍，但在其他实施例中，k不限于为整数。

此外亦需说明的是，前述的电源发送单元10并不限定于需调节直流电流idc于该预设的直流电流位准，在一实施例中，电源发送单元10亦可调节直流电压vdc于一默认的直流电压位准，在此情况下，电容式电源转换电路30仍可根据上述的操作而使得充电电压vchg的位准大致为该默认的直流电压位准的一默认的电压比例倍数k’，在一较佳实施例中，k’小于1，以达成电容式降压电源转换模式。

请继续参阅图3，在一实施例中，电源发送单元10还通过一缆线20及╱或一连接器(未示出)而耦接于电容式电源转换电路(例如电容式电源转换电路30)，其中缆线20或该连接器可为例如但不限于符合通用串行总线供电规范(usbpd)或通用串行总线规范(usb)的缆线或连接器，其包含电源线21与讯号线22，其中电源线21用以传送直流电源。需说明的是，所述的缆线20或连接器在其他实施例中可以省略。

请继续参阅图3，在一实施例中，转换控制电路32侦测直流电流idc而产生一电流相关讯号(例如图中所示的isen)，电源发送单元10则根据电流相关讯号isen而调节直流电流idc于前述的预设的直流电流位准。在一较佳实施例中，转换控制电路32通过讯号线22以传送电流相关讯号isen至电源发送单元10。

在许多应用中，如上述的充电电路需支持usbon-the-go规格，亦即，在一供电模式下，将电池电压转换为一供电电压，而通过例如上述的汇流节点输出该供电电压以供应符合usbotg规格的负载使用。请参阅图4，在一实施例中，充电电路4还包含一切换式转换电路60(一般而言为一切换式升压电路)，其可在供电模式下，转换电池电压vbat而于汇流节点bn上产生一供电电压vout，用以供应电源给usbotg负载70(例如一符合usbotg规格的快闪记忆卡)之用。

在一实施例中，本发明的电容式电源转换电路亦可同时用以于一供电模式下，将该电池电压vbat转换成为一供电电压vout，而无需额外的转换电路(如图4的实施例中的切换式转换电路60)。请参阅图5a，在一实施例中，本发明的电容式电源转换电路(电容式电源转换电路30a，其包含如图3中的电容式电源转换电路30)，还可于供电模式下，以该开关控制讯号ctrl于多个供电转换时段中，对应操作该多个转换开关，使该一或多个转换电容器(c1或c1-cn)周期性地对应耦接于一或多个供电比例电压节点(例如对应图5a中的ns1或ns1-nsq，其中q为自然数)、该电池电压vbat、以及该接地点其中的一对节点之间，而于该一或多个供电比例电压节点(ns1或ns1-nsq)中的一节点(例如图5a中的nsq)产生一输出讯号vpo，且根据该输出讯号vpo而于汇流节点bn上产生一供电电压vout，使得该供电电压vout的位准大致上为该电池电压vbat位准的一默认的增压倍数(voltagescale-upfactor)j。

请参阅图5b，为了使供电电压vout的位准更贴近于usbotg规格(例如但不限于5v)，在一实施例中，本发明的电容式电源转换电路(例如图中的电容式电源转换电路30b)还可包含一线性调节开关电路33，用以将该输出讯号vpo转换为该供电电压vout，其中转换控制电路32还根据供电电压vout而产生一线性调节讯号ctrs，用以线性地控制该线性调节开关电路33的一调节开关swg，使得该供电电压vout的位准调节于一默认的输出电压位准(例如5v)。

需说明的是，在具有线性调节开关电路的情况时，在一实施例中，于充电模式下，调节开关(例如swg)可控制为导通，使得电容式电源转换电路可进行如前所述以倍增电流的方式进行充电。

值得注意的是，前述本发明的电容式电源转换电路(如30a、30b)无论在充电模式或是供电模式下，皆以电容式电源转换方式进行电源转换，以对电池进行充电或是对usbotg负载供电，因而无需切换式电源转换电路(例如但不限于切换式降压、升压或升降压电源转换电路)的电感器，故可节省成本与空间。此外，本发明的电容式电源转换电路还可共享转换电容(例如前述的一或多个转换电容器c1或c1-cn)以及多个转换开关，因而还可进一步节省成本与空间。

请参阅图6，图中所示为本发明的电容式电源转换电路的一种具体实施例(电容式电源转换电路30c)的示意图，如图所示，本实施例中，转换电容器包括第一与第二转换电容器c1与c2，多个充电转换时段包括第一与第二充电转换时段；其中于充电模式下，转换控制电路32控制多个转换开关(例如图中所示的转换开关sw1-sw11)，使第一转换电容器c1的第一端于第一充电转换时段与第二充电转换时段中分别对应切换而电性连接于直流电压vdc与充电电压vchg之间，且使第一转换电容器c1的第二端于第一充电转换时段与第二充电转换时段中分别对应切换而电性连接于充电电压vchg与接地点之间，且使第二转换电容器c2的第一端于第二充电转换时段与第一充电转换时段中分别对应切换而电性连接于直流电压vdc与该充电电压vchg之间，且使第二转换电容器c2的第二端于第二充电转换时段与第一充电转换时段中分别对应切换而电性连接于充电电压vchg与接地点之间，使得充电电流ichg的位准大致上为该预设的直流电流位准的2倍。需说明的是，本实施例中，c1与c2在前述节点对之间的切换互为反相。

请同时参阅图6与图7a，图7a显示供电模式下的增压倍数j为3/2倍时，电容式电源转换电路于不同供电转换时段中的等效电路示意图，本实施例中，于供电模式下，该多个供电转换时段包括二供电转换时段(例如图7a中的供电转换时段tp1与tp2)；转换控制电路32以该开关控制讯号ctrl控制该多个转换开关(例如图中所示的转换开关sw1-sw11)，于供电转换时段tp1与tp2中，使该第一与第二转换电容器周期性地对应耦接于该多个供电比例电压节点(例如图7a中的ns1以及ns2)、该电池电压vbat、以及该接地点其中的一对节点之间，使得该增压倍数大致上为3/2，其中于一稳态(steady)时，该第一与第二转换电容器的跨压皆大致上为该电池电压的1/2。

请继续参阅图7a，详言之，本实施例中，于供电转换时段tp1中，第一与第二转换电容器c1与c2通过多个转换开关切换为串联而耦接于电池电压vbat与接地点之间，而于供电转换时段tp2中，通过多个转换开关的切换，使第一与第二转换电容器c1与c2为并联而耦接于供电比例电压节点ns2与电池电压vbat之间，其中电容式电源转换电路通过供电比例电压节点ns2而产生输出讯号vpo；如此周期反复，于稳态时，可使得增压倍数大致上为3/2，而第一与第二转换电容器c1与c2的跨压皆大致上为电池电压vbat的1/2。

请同时参阅图6与图7b，图7b显示增压倍数j为4/3倍时，电容式电源转换电路于不同供电转换时段中的等效电路示意图，本实施例中，于供电模式下，该多个供电转换时段包括三供电转换时段(例如图7b中的供电转换时段tp1、tp2与tp3)；转换控制电路32以该开关控制讯号ctrl控制该多个转换开关(例如图中所示的转换开关sw1-sw11)，于供电转换时段tp1、tp2与tp3中，使该第一与第二转换电容器周期性地对应耦接于该多个供电比例电压节点(例如图7b中的ns1、ns2与ns3)、该电池电压vbat、以及该接地点其中的一对节点之间，使得该增压倍数大致上为4/3，其中于一稳态(steady)时，该第一与第二转换电容器的跨压大致上分别为该电池电压的2/3与1/3。

请继续参阅图7b，详言之，本实施例中，于供电转换时段tp1中，第一与第二转换电容器c1与c2通过多个转换开关切换为串联而耦接于电池电压vbat与接地点之间，且于供电转换时段tp2中，通过多个转换开关的切换，使第二转换电容器c2耦接于供电比例电压节点ns2与电池电压vbat之间，而于供电转换时段tp3中，通过多个转换开关的切换，使第一与第二转换电容器c1与c2为串联而耦接于供电比例电压节点ns2与电池电压vbat之间，其中电容式电源转换电路通过供电比例电压节点ns2而产生输出讯号vpo，其中第二转换电容器c2于供电转换时段tp3中的极性与其他供电转换时段tp1与tp2中的极性为相反；如此周期反复，于稳态时，可使得增压倍数大致上为4/3，而第一与第二转换电容器c1与c2的跨压大致上分别为电池电压vbat的2/3与1/3。

需说明的是，前述二实施例的供电转换时段之间的顺序，以及转换电容器之间的分压关系仅为举例而非限制。

请参阅图5a、图5b与图6，在一实施例中，本发明的电容式电源转换电路(例如前述的电容式电源转换电路30a、30b与30c)可根据电池电压vbat相关的讯号以及供电电压vout的目标值而确定所需的增压倍数j(例如选择前述的3/2倍或4/3倍二者之一)，并根据该所需的增压倍数j而适应性调整多个转换开关的耦接方式与多个供电转换时段，以达成所需的增压倍数j；请继续参阅图5b与图6，在一较佳实施例中，该所需的增压倍数j可使输出讯号vpo接近但大于供电电压vout，使得该调节开关的输入端与输出端的跨压(即vpo-vout)小于一默认的压差电压(dropoutvoltage)，以提升转换效率。

在一实施例中，前述的usbotg负载电路(例如图4、图5a、图5b与图6中的负载70)与电容式电源转换电路(例如图4、图5a、图5b与图6中的电容式电源转换电路30、30a、30b与30c)之间以前述的usbpd或usb连接器(未示出)而互相连接。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，亦可以组合应用；举其中一例，前述的增压倍数4/3与3/2可并用，使本发明的电容式电源转换电路可具有此二种增压倍数，其可根据电池电压与供电电压而决定采取何种增压倍数。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化以及各种组合，举例而言，本发明的电容式电源转换电路可并联使用，以降低转换电路的等效电阻，提升转换效率。又如转换电容器还可包括一第三转换电容器，该多个供电转换时段包括三供电转换时段；其中于该供电模式下，该开关控制讯号控制该多个转换开关，于该三供电转换时段中，使该第一、第二与第三转换电容器周期性地对应耦接于该多个供电比例电压节点、该电池电压、以及该接地点其中的一对节点之间，使得该增压倍数大致上为7/4。又例如，本发明所称“根据某讯号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该讯号的本身，亦包含于必要时，将该讯号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的讯号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化以及各种组合，其组合方式甚多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。