TW201405273A

TW201405273A - 能量轉換裝置和方法

Info

Publication number: TW201405273A
Application number: TW101126954A
Authority: TW
Inventors: Mohamed Papa Talla Fall; Sami Ajram
Original assignee: Mohamed Papa Talla Fall
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-02-01
Also published as: TWI590025B

Abstract

本發明係關於一種用於轉換接收自至少一能量源之能量之能量轉換器，其中該至少一個能量源包含一第一光電壓產生器，其中該能量轉換器組態以連接至一第二光電壓產生器；該能量轉換器更包含一感測單元，該感測單元組態以感測該第二光電壓產生器之一開路電壓(VPVSS)；且該能量轉換器組態以根據由該感測單元所感測得的該開路電壓來轉換接收自該第一光電壓產生器之能量。此外，本發明係關於一種包含該能量轉換器及至少一能量儲存元件之能量轉換及儲存系統。

Description

能量轉換裝置和方法

本發明係關於能量穫取、能量轉換及能量儲存之領域。更具體而言，本發明係關於一種能量轉換器及一種能量轉換及儲存系統。

近來，自環境中穫取能量已成為許多研究之主題。藉由自環境中穫取能量，使用者無需將可攜式裝置的電池再充電，或無需經由一電纜而將可攜式裝置連接至一電源，即可為可攜式裝置供電。此外，若所穫取之能量為可再生能量，則此等裝置之運作不會產生污染。在自環境穫取能量之不同方式中，包括了光電壓產生器(photovoltaic generator)、壓電發電機(piezoelectric generator)及熱電發電機(thermoelectric generator)。

為了能夠在可攜式裝置中安裝足夠小的發電機，該等發電機之轉換效率必須夠高。舉例而言，在光電壓產生器之最新發展技術中，能夠達到以高達40%之能量轉換效率。在更為廉價之技術中，此種轉換因數係介於20%至25%範圍內。此外，可自一光伏電池穫取之總功率亦取決於入射光之功率密度。舉例而言，一5×5平方公分之太陽能電池在接收直射陽光時可提供200毫瓦至1000毫瓦之功率，而在室內工作時可提供200微瓦至1毫瓦或10毫瓦之功率。光伏電池用作具有一輸出阻抗之一電流產生器或一電壓產生器，該輸出阻抗會隨負載及所接收太陽能而具有很大的變異量。此外，由光伏電池所產生之輸出電壓隨溫度而變化。

為使光電壓產生器達到最高可能之轉換效率，已知的方法為連續地改變負載阻抗。此種方法被稱為最大功率點追蹤(maximum power point tracking；MPPT)。圖14例示輸出電流9001隨光伏電池之輸出電壓之變化，以及由此種光伏電池所產生之輸出功率9002。如圖14所示，當輸出電壓低於光伏電池所能達到之最大電壓(即，開路電壓9003)時，光伏電池會傳送出最大功率。可看出，當光伏電池之運作使輸出電壓較開路電壓值低15%至20%時，功率9002達到一峰值。

因此，為改良對光伏電池所穫取功率之開發利用性，應將光伏電池之輸出電壓維持在低於開路電壓5%至35%；較佳地，維持在低於開路電壓15%至20%之範圍內，該範圍將根據入射光伏功率而異。最大功率點跟蹤(MPPT)技術能達成此目標。

然而，最大功率點跟蹤技術僅適用於當有足夠之功率可用於驅動運用並且執行該最大功率點跟蹤技術之電子電路時。相反，當可用功率低時，功耗將高於所穫取之能量。因此，此種解決方案對於低功率應用而言毫無意義。

因此，本發明之一目的在於提供一種能量轉換器，該能量轉換器能夠轉換來自至少一光電壓產生器之能量，以確保藉由使用一簡單之設計來確保提高效率，進而減少功耗。

本發明係關於一種能量轉換器，其能夠連接於至少一第一發電機，以用於轉換接收自該至少一第一發電機之能量，其中該能量轉換器能夠連接至一第二發電機；該能量轉換器可更包含一感測單元，其組態以感測該第二發電機之一輸出值，而能夠估測該至少一第一發電機之一開路電壓；且該能量轉換器組態以根據該感測單元所估測得的該開路電壓以轉換接收自該至少一第一發電機之能量。

藉由此種方式，本發明之能量轉換器能夠高效地轉換接收自該第一光電壓產生器之能量，同時由於架構簡單而減少功耗量。

在本發明之某些實施例中，該第二發電機之該感測得的輸出值可係為該第二發電機之一開路電壓值。

藉由量測該第二發電機之該開路電壓，可輕易地決定出該第一發電機之該開路電壓。根據此決定出，可決定出該第一發電機之一最佳化輸出電壓。

在本發明之某些實施例中，該感測單元可組態以輸出一最佳化電壓，該最佳化電壓對應於一值，該值處在小於該感測得的開路電壓5%至35%之範圍內；較佳地，該值處在小於該感測得的開路電壓15%至20%之範圍內，且該能量轉換器組態以使該至少第一發電機之一輸出電壓保持在一對應於該最佳化電壓之值。

將該最佳化電壓之值設定於上述範圍內，能使得該第一發電機可高效地運作。

在本發明之某些實施例中，該能量轉換器更可包含一轉換器，該轉換器係為一升壓轉換器、一降壓轉換器、及一降壓-升壓轉換器其中之任一者，該轉換器受控於一控制器，並且該轉換器組態以將該至少第一發電機之該輸出電壓轉換成該能量轉換器之一輸出電壓(V_OUT)，該輸出電壓(V_OUT)對應於一預定參考電壓。

藉由該轉換器，其能夠將該第一發電機所輸出之該電壓轉換成一更適用於所需應用之值。

在本發明之某些實施例中，該能量轉換器更可包含一優先順位仲裁器，該優先順位仲裁器組態以接收由一第一比較器所輸出之一第一誤差訊號，該第一誤差訊號指示出該最佳化電壓與該至少第一發電機之該輸出電壓之一差異值；接收由一第二比較器所輸出之一第二誤差訊號，該第二誤差訊號指示出該參考電壓與該能量轉換器之該輸出電壓之一差異值；以及輸出一控制訊號至該控制器，藉以驅動該轉換器，若該第一誤差訊號處於一預定範圍內，其表示該至少第一發電機能夠提供該轉換器所需之最大量的電力，則優先順位仲裁器確保使該第二誤差訊號最小化，若偵測到該第一誤差訊號處於該預定範圍之外，則確保使該第一誤差訊號最小化。

藉由該優先順位仲裁器，可確保每當在該能量轉換器之輸入處有足夠的功率可用時，該能量轉換器之輸出電壓能符合或對應至參考電壓。同時，可確保該第一發電機之發電量維持於最大可能值。

在本發明之某些實施例中，該能量轉換器更可連接至至少一能量儲存元件。

藉由使用一能量儲存元件，可儲存多餘之能量並可根據該第一發電機所提供之能量及負載所需能量而恢復所需能量。

在本發明之某些實施例中，該至少一個能量儲存元件可包含至少一電池和/或一超電容。

在本發明之某些實施例中，該能量轉換器更可包含一穩壓器，該穩壓器組態以藉由自該能量轉換器之該輸出電壓及/或該至少一個能量儲存元件汲取能量而提供該能量轉換器之一穩壓後之輸出電壓。

藉由該穩壓器，可提供一穩定輸出至負載，且即使當第一發電機所提供之電力不足時，亦可保證負載之運作。

在本發明之某些實施例中，該第一發電機可包含一第一光電壓產生器，且該第二發電機則可包含一第二光電壓產生器。

藉由使用光電壓產生器作為第一發電機及第二發電機，該能量轉換器可對於該第一光電壓產生器於轉換期間之負載進行調整，以轉換來自該第一光電壓產生器之能量，並能夠使該第一光電壓產生器能夠有效地運作。

在本發明之某些實施例中，該能量轉換器更可包含至少一第三發電機，其中該至少一第三發電機更可包含一壓電發電機及/或一熱電發電機。

除由該第一光電壓產生器穫取能量之外，或取代由該第一光電壓產生器穫取能量，可藉由該至少一第三發電機而自環境中穫取能量。因此，該轉換器可在變化之環境中穫取能量。

在本發明之某些實施例中，該第一光電壓產生器及該第二光電壓產生器可係為一單一光伏電池之部分，其中該光伏電池具有一用於該第一光電壓產生器之第一輸出及一用於該第二光電壓產生器之第二輸出。

藉由此種方法，可減小因具有二不同光伏電池而佔用之空間。此外，若該二光電壓產生器係為同一光伏電池之部分，則確保該第二光電壓產生器所輸出之開路電壓與該第一光電壓產生器不存在負載時所輸出之開路電壓相同。由於該第一與第二光電壓產生器係以相同之製程獲得並暴露於相同之太陽能功率，可確保該第二光電壓產生器所輸出之開路電壓與該第一光電壓產生器不存在負載時所輸出之開路電壓相同。

在本發明之某些實施例中，該能量轉換器可更包含至少一第三發電機，其中該至少一第三發電機可更包含一壓電發電機及/或一熱電發電機。

藉由該至少一第三發電機，可自環境中穫取更多電力。

本發明可關於一種能量轉換器，其能夠連接於至少一第一發電機，以用於轉換接收自該至少一個第一發電機之能量，其中該能量轉換器可能夠連接至複數個能量儲存元件，該能量轉換器可包含一充電排序器，該充電排序器組態以管理該等能量儲存元件其中之每一者之充電及放電次序，以使一第一能量儲存元件放電，該第一能量儲存元件係為該等能量儲存元件中具有一最高充電值者，及/或使一第二能量儲存元件充電，該第二能量儲存元件係為該等能量儲存元件中具有一最低充電值者。

藉由此種方式，本發明之能量轉換器能夠管理複數個能量儲存元件之充電及放電循環，以延長該等能量儲存元件之使用壽命。

此外，本發明可關於一種能量轉換及儲存系統，其包含：如上所述之一能量轉換器；至少一能量儲存元件，其連接至該能量轉換器，其中該至少一能量儲存元件包含至少一電池、或至少一超電容。

在本發明之某些實施例中，該能量轉換器及該至少一個能量儲存元件可以生物相容性材料製造而成。

在此種情形中，該轉換器可配備用於勘察環境(例如，水質、動物之遷徙、暖通與空氣調節(Heating Ventilating Air Conditioning；HVAC)、無線感測器網路(Wireless Sensor Network；WSN)、建築自動化或家庭自動化等)之裝置，而且，若該等裝置在使用後未被收集並回收，亦不會有危害環境之風險。

此外，本發明可關於一種能量轉換方法，用於轉換接收自至少一第一發電機之能量，該方法包含：一感測步驟，用以感測一第二發電機之一輸出值；一估測步驟，用以根據該第二發電機之該所感測得的輸出電壓以估測該至少一第一發電機之一開路電壓；以及一轉換步驟，用以根據該估測得的開路電壓以轉換自接收自至少一第一發電機之能量。

此外，本發明可關於一種能量轉換方法，用於轉換接收自至少一個第一發電機之能量，該方法包含一用於管理複數個能量儲存元件其中之每一者之一充電及放電次序之管理步驟，該管理步驟包含以下步驟：使一第一能量儲存元件放電，該第一能量儲存元件係為該等能量儲存元件中具有一最高充電值者，及/或使一第二能量儲存元件充電，該第二能量儲存元件係為該等能量儲存元件中具有一最低充電值者。

作為本發明之一實例性實施例，圖1例示一使用一市售升壓轉換器7之能量轉換器。一光伏電池12經由一開關13而連接至升壓轉換器之輸入V_IN。輸出L經由一電感6(例如，其值係為2.2微亨)亦連接至升壓轉換器之輸入V_IN。一負載11連接至升壓轉換器之輸出V_OUT。一電容器10(例如，其值係為20微法)以及一由電阻器8及電阻器9(例如，其值分別係為390千歐及50千歐)構成之一電阻電橋亦連接至升壓轉換器之輸出並與負載11並聯。該電橋之輸出被回饋至升壓轉換器之FB埠。此外，升壓轉換器之輸入V_IN亦連接至電容器1及電容器2(例如，其值分別係為100微法及10微法)，並連接至一由電阻器3及電阻器4(例如，其值分別係為270千歐及50千歐)構成之電阻電橋。該電阻電橋之輸出被輸入至升壓轉換器之UVLO埠。最後，升壓轉換器之VAUX埠連接至一電容器5。

作為可在此種配置下使用之一實例性升壓轉換器7，可考慮來自美國德州儀器公司(Taxes Instrument)的TPS61200。此種升壓轉換器之優點在於，其可在低至0.5伏之輸入電壓下工作。

然而，此種架構並不適用於自一小光伏電池穫取電力。

更具體而言，構想出該架構之目的係為了藉由使用一約為1安之恆定電流來使輸出電壓增大至4.4伏(此值取決於所實作之具體回饋電路)。然而，一小的光伏電池無法提供如此高的電流。相反，此種小光電壓產生器係在幾毫安之範圍內運作。因此，需要一例如為100微法之電容器，在升壓轉換器接通之前由光電壓產生器將該電容器預充電至約3伏。此使得該電容器能夠提供升壓轉換器所需之高電流。一旦升壓轉換器之輸出電壓穩定化，若負載不再耗用任何電流，則升壓轉換器會變至一節電模式。參照圖2A及圖2B可更佳地理解此種特性。

圖2A例示在升壓轉換器之一加電(power-up)操作期間當負載不耗用任何電流時之波形。更具體而言，如圖2A所示，例示出2A1及2A3二部分。2A3部分所示訊號係指由區域2A2所表示的2A1部分之一較小部分之放大視圖。如2A3部分所示，加電操作使輸入電壓V_IN 2A6產生一約700毫伏之壓降。在加電操作之後，如2A1部分所示，升壓轉換器進入一頻率約為200赫茲之節電模式，乃因負載不消耗電流，而僅升壓轉換器及電阻電橋消耗電流。

另一方面，圖2B係關於其中負載汲取例如一1.35毫安之電流之情形。如圖所示，輸出電壓V_OUT 2B7始於所需值。然而，由於小的光伏電池無法為升壓轉換器提供足夠之電流，因此輸入電壓V_IN 2B9將緩慢地下降至一能夠使升壓轉換器自動斷開之值，如V_OUT 2B7之壓降所示。

因此，當負載汲取一過高之電流時，此種架構並非最佳的。即使將電路修改成以一脈動方式工作，轉換效率亦非最佳，乃因電容2連接至光電壓產生器並迫使光電壓產生器在一長時間段內以一短路方式運作。此種短路運作並非理想之運作，乃因當以短路模式運作時，光電壓產生器之輸出功率不會最大化。

為改良此解決方案，可達成圖3所示之一能量轉換器。

如圖所示，能量轉換器300可連接至二發電機301及302(例如，二光電壓產生器)。該能量轉換器包含一參考電壓單元303、二比較器304及305、一優先順序單元306及一轉換器單元307。

參考電壓單元303之目的在於輸出一參考電壓V_INTarg，以用作接收自第一發電機30之輸入電壓V_INPV之一目標電壓。目標電壓係指為提高第一發電機301之效率而期望使輸入電壓V_INPV所維持之值。參考電壓單元303可藉由感測第二發電機302之一輸出電壓(例如，開路電壓值)而產生參考電壓V_INTarg。假設第一發電機與第二發電機具有一類似之開路電壓，則測定出第二發電機之開路電壓便能夠輕易地估測出第一發電機之開路電壓。

作為另一選擇，或除此之外，第二發電機之開路電壓可不同於第一發電機之開路電壓，但可得知該二開路電壓值間之關係，並可在根據所量測之第二發電機之開路電壓以估測第一發電機之開路電壓時，將該關係考慮在內。

更一般而言，可使用為估測第一發電機301之一開路電壓值而可使用之第二發電機302之任何特性(例如，流經一預定電阻之一輸出電流)。

該二比較器計算能量轉換器300之輸入電壓V_INPV之誤差及輸出電壓V_OUT之誤差。根據此資訊，優先順序單元306將控制一轉換器單元307，以藉由優先考慮輸入電壓V_INPV之穩定性或輸出電壓V_OUT之穩定性而將輸入電壓V_INPV轉換成輸出電壓V_OUT。

藉由此種方法，可藉由將輸入電壓V_INPV之值維持於一使第一發電機301效率高之範圍內而達成對一所需輸出電壓V_OUT之調節。

第一實施例

圖4例示根據本發明一第一實施例之一能量轉換器1000。如圖4所示，能量轉換器1000連接至一第一光電壓產生器1101及一第二光電壓產生器1102。該二光電壓產生器1101及1102可係為實體上不同之二光伏電池，抑或光電壓產生器1102可係為一包含光電壓產生器1101之光伏電池之一小部分。在該二情形中，能量轉換器1000所轉換之能量皆係由光電壓產生器1101所產生者。

光電壓產生器1102之用途在於為能量轉換器1000提供由第二光電壓產生器1102所產生之開路電壓值，以作為假設無負載連接至第一光電壓產生器1101之輸出時第一光電壓產生器1101會產生之開路電壓之估測值。

第一光電壓產生器1101連接至能量轉換器1000之輸入埠V_INPV，而第二光電壓產生器1102則連接至能量轉換器1000之輸入埠V_PVSS。

為確保由該二光電壓產生器所產生之開路電壓相似，光電壓產生器1101與1102之位置及電性特性相似。作為另一選擇，或除此之外，若光電壓產生器1101與1102之位置及/或電性特性不同，則光電壓產生器1101之開路電壓與光電壓產生器1102之開路電壓間之關係可預先確定，或可在根據光電壓產生器1102之所量測開路電壓測定光電壓產生器1101之開路電壓時量測得出並使用該關係。

能量轉換器1000能夠藉由電感1010、二極體1007、電晶體1603及升壓控制器1602所構成之升壓器來升高由光電壓產生器1101所產生電壓V_INPV之值。此外，升壓控制器1602在升高輸入電壓V_INPV以獲得輸出電壓V_OUT時所依據之訊號係自一優先順位仲裁器1601輸出。

該優先順位仲裁器接收表示輸出電壓V_OUT之誤差及輸入電壓V_INPV之誤差之二輸入訊號。輸入電壓V_INPV之誤差係由比較器1303產生。比較器1303之目的在於確保接收自光電壓產生器1101之輸入電壓V_INPV保持接近與最佳V_IN估測器1302之輸出相對於之理想值V_INTarg，以達成高功率傳遞。輸出電壓之誤差係由一比較器1502產生。若經由埠FB所接收之回饋電壓V_OUT不同於參考電壓V_REF，則比較器1502會產生一電壓誤差訊號。因此，藉由正確地選擇參考電壓V_REF，可獲得任何所需之輸出電壓V_OUT。

最佳V_IN估測器1302具有二輸入，該二輸入分別連接至一溫度感測器1301、以及連接至埠V_PVSS後進而連接至第二光電壓產生器1102。最佳V_IN估測器1302感測由第二光電壓產生器1102所產生之開路電壓值，進而用作一感測單元。此外，最佳V_IN估測器1302計算一最佳化電壓值V_INTarg，該最佳化電壓值V_INTarg對應於一值，該值處在小於第二光電壓產生器1102所產生之開路電壓值5%至35%之範圍內；較佳地，該值處在小於第二光電壓產生器1102所產生之開路電壓值15%至20%之範圍內。此外，在計算最佳化電壓V_INTarg時，亦可將溫度感測器1301所量測之溫度考慮在內。

更具體而言，一光電壓產生器之效率及因此其輸出功率在15至 25攝氏度以下係為恆定的。超過此溫度值時，光電壓產生器之效率及輸出功率隨著溫度之升高而降低，且每升高1攝氏度降低約0.4%。

更具體而言，例如，由最佳V_IN估測器1302計算V_INTarg之一可能實施方案可如下所述。在溫度感測器1301所量測之溫度低於一介於0℃至30℃之間的預定臨限溫度T_TH之前(該預定臨限溫度T_TH較佳地介於15℃至25℃間)，對開路電壓V_PVSS施加一校正因數α，該校正因數α介於5%至35%之間；並且該校正因數α較佳地介於15%至20%之間，俾使V_INTarg=V_PVSS*(1-α)

當溫度感測器1301所量測之溫度高於預定臨限溫度T_TH時，亦施加一介於0.1%至1%之間、較佳地係為0.4%之校正因數β，俾使V_INTarg=V_PVSS*(1-α-β*(溫度-T_TH))

應注意，溫度感測器1301係可選的，並可完全根據接收自第二光電壓產生器1102之開路電壓來計算V_INTarg，換言之，可認為校正係數β等於0。作為另一選擇，或除此之外，可藉由一外部溫度感測器來達成溫度量測。

作為再一選擇，該二發電機1101及1102可相對於溫度具有一預先確定之不同特性，並可藉由量測該二發電機之某些輸出特性來測定溫度。舉例而言，可量測出該二發電機之開路電壓，並可根據該二量測值來導出溫度。

優先順位仲裁器1601用以確保輸出電壓V_OUT對應於所期望之參考電壓V_REF，並確保輸入電壓V_INPV保持於使光電壓產生器進行最佳發電之範圍內。當光電壓產生器1101產生足夠之功率時，將優先考慮輸出電壓V_OUT之調節。相反，每當可用功率小於負載所需功率時，將優先考慮輸入電壓V_INPV之調節。根據輸入電壓V_INPV之誤差訊號是否可被維持低於某一臨限值來判斷光電壓產生器是否產生足夠之功率。若不能產生足夠之功率，則輸入電壓V_INPV之誤差將不可避免地趨於增大，進而表示無足夠功率可用於使輸出電壓V_OUT維持至所期望之位準V_REF。

能量轉換器1000更經由一埠V_BAT1而連接至一電池1201，以達成根據本發明之一能量轉換及儲存系統。在此種情形中，能量轉換及儲存系統係以一單一電池進行運作。然而，本發明並非僅限於此，而是亦可以不止一個電池及/或以下文將闡述之超電容來達成能量轉換及儲存系統。

此外，能量轉換器1000設置有一連接至一低壓降穩壓器(Low dropout regulator；LDO)1701之輸出之一輸出埠V_LDO。一潛在負載可連接至該埠V_LDO。因此，此潛在負載可由第一光電壓產生器1101所產生並經升壓轉換器轉換之電力驅動，及/或由自電池1201所擷取之電力驅動。在其中第一光電壓產生器1101所產生之電力不足之情形中，可藉由使電池1201放電而獲得額外之電力。相反，若第一光電壓產生器1101所產生之電力高於負載所需電力，則可轉移未使用之電力來對電池再充電。因此，在其中無負載連接至能量轉換器之情形中，可使用由第一光電壓產生器1101所產生之全部電力來對電池1201再充電。同時，若第一光電壓產生器1101 未產生電力，仍可藉由使電池1201放電來驅動一潛在負載。因此，此種配置為本發明之能量轉換器1000提供一廣闊範圍之運作模式，並確保使連接至埠V_LDO之負載在需要時總能夠運作。

除上述各組件之外，本發明之能量轉換器1000亦包含一欠電壓閉鎖(under voltage lock out；UVLO)1403，欠電壓閉鎖(UVLO)1403經由埠V_UVLO連接至第一光電壓產生器1101之輸出。欠電壓閉鎖(UVLO)1403之用途在於，一旦電壓V_UVLO達到一預定參考值即產生一用於啟動能量轉換器1000之訊號。隨後，能量轉換器將保持現用，直至電壓V_UVLO變至低於該預定參考電壓為止。欠電壓閉鎖組件1403具有某一程度之滯後性。此使得即使例如由於升壓轉換器之加電操作而使V_UVLO電壓中出現震盪，能量轉換器1000亦能夠以一可靠方式運作。

此外，能量轉換器1000包含由方框1501表示之一VREF發電機連同其他類比電路。方框1501之輸出V_REF被輸入至比較器1502。方框1501之輸出V_REFLDO被輸入至低壓降穩壓器(LDO)1701。電壓V_REFLDO之用途在於驅動低壓降穩壓器1701之輸出電壓V_LDO值。

此外，方框1501產生被輸入至SWAP比較器1801之輸出V_RefMAX及V_RefMIN。SWAP比較器1801更接收電壓V_BATSENSE作為一輸入。根據該三個輸入，SWAP比較器1801能夠管理該等電池之充電/放電循環。使用至少二比較器。第一個比較器在充電階段管理電池並在每當電池1201的端子處之電壓V_BATSENSE達到一表示電池已被充電之高電壓V_RefMAX時進行切換。第二SWAP比較器在電池放電時管理電池，以驅動負載並在每當電池1201的端子處之電壓V_BATSENSE達到一表示電池已被放電之低電壓值V_RefMIN時進行切換。該等SWAP比較器之輸出被輸入至充電排序器(charge sequencer)1802。

充電排序器1802用於記憶電池1201之充電狀態，並用以管理由第一光電壓產生器1101所產生並經升壓轉換器所轉換之電力、儲存於電池1201中之電力及連接至節點V_LDO之負載所需電力間之功率流。因此，充電排序器1802連接至開關1804，以使得低壓降穩壓器(LDO)1701、電池1201、及第一光電壓產生器1101能夠以能量轉換器1000之一運作狀態所需之方式所連接。

更具體而言，可以不同技術來達成電池1201。每一技術均要求遵守某一充電/放電臨限值，以延長電池之使用壽命。

舉例而言，薄膜電池可具有一30%之最大放電臨限值V_RefMIN，此意味著其不可被消耗其標稱容量之30%以上。類似地，鹼性電池可具有一50%之最大放電臨限值。其他電池可具有不同之最大放電臨限值。

對稱地，薄膜電池可具有一90%(較佳地係為100%)之最小充電臨限值V_RefMAX，此意味著在被放電之前其應被再充電至其標稱容量之至少90%、或甚至其全標稱容量。對於鹼性電池可使用一類似值。其他電池可具有不同之最小充電臨限值。

可將電池1201之最大放電臨限值及最小充電臨限值保存於充電排序器1802中。根據該等值，可獲得一改良之電池循環。

因此，充電排序器1802控制各開關1804，以連接低壓降穩壓器1701、電池1201及第一光電壓產生器1101，進而延長電池之使用壽命、同時保證負載之運作。以下將詳細闡述如何達成此效果。

能量轉換器1000更包含充電控制器1803。充電控制器1803之用途在於用作一線性充電器或用作一旁路充電器(bypass charger)。當以一具有一恆定值之電流對電池1201充電時，每當第一光電壓產生器1101所產生之輸入電力不足以為電池1201提供電池1201可吸收之全部電流時，則採用線性充電器模式。相反，當有足夠之電力使電池吸收其可吸收之全部電流時，則採用旁路模式。每當充電排序器1802判定需要或不需要對電池1201充電時，充電排序器1802皆會接通及斷開充電控制器1803。此外，充電控制器1803係由優先順位仲裁器1601之一輸出(圖中未示出)控制，該輸出用於決定充電控制器1803應以一線性模式運作還是以一旁路模式運作。

因此，充電控制器1803可進行操作以使所有電流流經電晶體1805(旁路模式)或藉由對電晶體1805之閘極施加一恰當之控制電壓來控制流至電池1201之電流量(線性模式)。充電控制器1803接收一藉由電流偵測器1806所產生的回饋電壓，該回饋電壓表示流經電晶體1805之電流。

此外，能量轉換器1000包含一節點V_BATOUT，該節點V_BATOUT可用於直接獲取電池1201之電壓。此外，一電阻1807可連接於節點V_OUT與電晶體1805之間。此外，如圖4所示，介於1微法至10微法範圍內之電容器1006及1008可視需要而連接至輸入節點V_impv及輸出節點V_OUT。電容器1006可視需要用於提供能量轉換器之啟動所需之高電流，且介於50奈法(nF)至150奈法之範圍內、且較佳地係為100奈法之電容器1008可視需要用於平滑升壓轉換器之輸出。

第一實施例之第一替代方案

圖6表示圖4所示第一實施例之一替代實施方案。

如圖6所示，能量轉換器2000不同於能量轉換器1000之處在於，能量轉換器2000中存在受控於一升壓控制器2602之電晶體2604及2605。該二電晶體之用途在於用作同步輸出開關，以減少二極體1007之串聯損耗。

第一實施例之第二替代方案

圖7例示圖4所示第一實施例之一第二替代方案。

如圖7所示，能量轉換器3000不同於能量轉換器1000之處在於，能量轉換器3000中存在一可選之開關SW電容調節器(switch SW cap regulator)3401、一類比電源AVDD選擇區塊3402、以及電容器3003及3004。

能量轉換器3000之AVDD選擇區塊3402之用途在於即時地選擇用於為能量轉換器3000之類比功能供電之電壓源。更具體而言，可於V_OUT與V_IN之間選擇該電壓源。

如圖所示，AVDD選擇區塊3402之輸出連接至一埠A_VDD，該埠A_VDD又連接至電容器3004。電容器3004之用途在於確保與A_VDD訊號相對應之類比組件之電源保持穩定。

可選之SW電容調節器3401之用途在於自低電壓V_IN產生一高電壓。更具體而言，調節器3401藉由連接至電容器3003而能夠使電壓V_IN翻倍並對該電壓進行調節，以產生一例如為3.3伏之高電壓值或一所需高電壓值，以維持能量轉換器3000之類比功能之運作。

第一實施例之第三替代方案

圖8例示圖4所示第一實施例之一第三替代方案。

如圖8所示，能量轉換器4000不同於能量轉換器1000之處在於，能量轉換器4000中存在多個電池4202及4203。雖然能量轉換器4000中存在二附加電池，但可使用任何數目(自一個至例如5個、10個、20個或甚至更多個)之附加電池。多個電池之存在將具有以下優點：可儲存更多能量，可視需要提供更高之能量叢發，以及提供一冗餘設計，該冗餘設計即使在一或多個電池發生故障之情形中仍能確保運作。

此外，多個電池之存在使得能夠更有效地管理各該電池之充電/放電循環，進而延長使用壽命，如下文所將闡釋。

由於存在複數個電池1201、4202及4203，因而需要將能量轉換器1000之開關1804替換為能量轉換器4000之開關4804。各開關4804可以一並聯方式運作，以按同一方式連接所有電池。換言之，開關4804可將電池1201、4202及4203連接至同一訊號，該訊號係為V_BATOUT、及/或V_BATSENSE、及/或V_OUT。另一方面，各開關4804可***作成以一不同方式分別連接各該單一電池。舉例而言，可將電池4203連接至訊號V_BATOUT，以經由低壓降穩壓器1701對負載供電。同時，可將電池4202連接至訊號V_BATSENSE及V_OUT，以藉由第一光電壓產生器1101所產生之電力來對其充電。同時，電池1201亦可以被充電之一方式連接，或者可自能量轉換器4000斷開，或者可連接至訊號V_OUT以幫助對電池4202充電，抑或可連接至訊號V_BATOUT以幫助電池4203經由低壓降穩壓器1701來驅動負載。更一般而言，各開關4804可組態以根據由充電排序器1802所控制的之邏輯關係而以一彼此獨立之方式控制該等電池1201、4202及4203之每一連接。

第一實施例之第四替代方案

圖10例示圖4所示第一實施例之一第四替代方案。

如圖所示，第四替代方案之能量轉換器5000不同於第一實施例之能量轉換器1000之處在於，能量轉換器5000中存在用於在訊號V_OUT與節點FB之間達成一電阻電橋之電阻器5001及5002，且存在用於在訊號V_INPV與節點V_UVLO之間達成一電阻電橋之電阻器5005及5009。

能量轉換器5000之設計者可確定此等電阻電橋之大小，以為輸入至比較器1502之回饋訊號FB及用於驅動UVLO 1403之訊號提供恰當比率。

最後，圖11例示一能量轉換器6000之一實施例，其包含第一實施例、以及第一實施例之第一、第二、第三及第四變型之所有特徵。應理解，第一實施例之第一、第二、第三及第四變型可以任何組合形式應用於第一實施例。舉例而言，一設計者可決定僅將第一變型應用於第一實施例。作為另一選擇，一設計者可決定將第一變型及第四變型同時應用於第一實施例。作為再一選擇，可在無任何變型之情況下採用第一實施例。更一般而言，可實作能量轉換器1000、2000、3000、4000、及5000之任意組合。

第一實施例之運作

圖5表示圖4所示第一實施例之一示意性運作。

加電

如圖5所示，在步驟S10中啟動能量轉換器1000。啟動程序可主要係為切換一接通/斷開(ON/OFF)按鈕。作為另一選擇，或除此之外，可由欠電壓閉鎖(UVLO)1403達到一預定參考值而自動地控制該啟動過程。

更具體而言，當被光照射時，第一光電壓產生器1101會對電容1006充電。此時，電容1006在光伏電池1101看來為一短路。因此，光伏電池1101將以電容1006之短路電流來對電容1006充電，該短路電流值取決於入射光功率。一旦節點V_UVLO上的電壓達到觸發欠電壓閉鎖1403所需之值，欠電壓閉鎖1403之輸出便進行切換以接通能量轉換器。舉例而言，對於能量轉換器5000及6000，由於其中存在由電阻5005及5009所達成之電阻電橋，故欠電壓閉鎖1403達到觸發值V_UVLO所需之時間將由以下方程式(Eq1)表示(Eq1)T_{UVLO_OK}=C_IN(V_UVLO×(R₂+R₁)/R₁)/I_INPV

其中R₁表示電阻5009，R₂表示電阻5005，V_UVLO表示欠電壓閉鎖1403之觸發電壓，C_IN表示輸入電容1006，I_INPV表示由第一光伏電池1101所提供之短路電流，且T_{UVLO_OK}表示欠電壓閉鎖進行切換所需之時間。

在步驟S11中，使類比電路通電，以為能量轉換器1000中之各元件提供所需之類比訊號。

一旦欠電壓閉鎖1403進行切換，其便會接通類比功能1501以使能量轉換器運作。類比功能被設計成使該等功能所消耗之電流不超過一例如為10微安至20微安之預定水準，以確保由該等類比功能所代表之負載不會降低輸入電壓I_INPV而再次觸發UVLO並斷開能量轉換器。

一旦類比功能係為現用的並變得穩定，便使用自一RC計時器(圖中未示出)發出之一邏輯訊號或一表示類比功能現用且穩定之訊號(圖中未示出)來啟動升壓轉換器，以升高輸入電壓V_INPV而獲得輸出電壓V_OUT。

使輸出電壓V_OUT向上斜升，以限制自電容1006汲取之平均電流。執行此步驟係為了避免自電容1006獲取之電流大於由光電壓產生器1101及/或電容1006所提供之電流。隨後，升壓轉換器將以一脈衝方式運作，同時監測輸入電壓V_INPV並確保輸入電壓V_INPV保持接近由最佳V_IN估測器1302所產生之最佳電壓值V_INTarg。此使得能夠以一受限電流對輸出電容1008充電，同時確保電壓V_INPV保持於一能夠自第一光伏電池1101提供最可能佳之功率傳輸之值。

類比電源A_VDD之管理

可以一能夠提供一大約2伏之標稱電壓之光電壓產生器1101來實作第一實施例之能量轉換器。在此種情形中，可產生一用於為能量轉換器之類比功能供電之電壓A_VDD，該電壓值高於由光電壓產生器1101所產生之2伏電壓。一高於2伏之電壓值可達成類比功能之一更佳線性度、一更佳之電源抑制比(Power Supply Rejection Ratio；PSRR)及更佳之頻率效能。此外，此種較高電壓可自能量轉換器中之不同來源(例如，輸出電壓V_OUT或儲存於電池1201中之電壓)獲得。

同時，在能量轉換器(例如，能量轉換器3000)中可包含一能夠使輸入電壓V_INPV翻倍並將其調節至一例如3.3伏之值之小型調節器3401。

開路調節

在步驟S12中，優先順位仲裁器1601開始運作，以將接收自第一光電壓產生器1101之功率轉換成輸出節點V_OUT。

輸出電壓V_OUT達到一作為電壓V_REF之一函數之穩定值。舉例而言，在圖11所示能量轉換器6000之情形中，輸出電壓V_OUT係由如下方程式(Eq 2)表示(Eq2)V_OUT=V_FB×((R₃+R₄)/R₃)

其中V_FB表示節點FB處之電壓，R₃表示電阻5002，且R₄表示電阻5001。舉例而言，若電池1201具有一4.1伏之最大工作電壓，則將電壓V_REF選擇成確保電壓V_OUT不會超過4.1伏之最大額定電壓。

因此，升壓轉換器例如可以一脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation；PFM)模式來驅動電流脈衝，並使電壓V_INPV偏離而變成等於開路電壓。

在步驟S13中，優先順位仲裁器評估所轉換之功率是否足以為連接至節點V_LDO之負載供電。該評估可藉由比較器1502及1303所提供之輸入來執行。

若步驟S13中之判斷結果係為所轉換之功率不大於連接至節點V_LDO之負載所需之功率，則在步驟S16中，優先順位仲裁器評估所轉換之功率是否恰好足以為連接至節點V_LDO之負載供電。該評估可藉由比較器1502及1303所提供之輸入來執行。

若步驟S16中之判斷結果係為所轉換之功率恰好足以為連接至至節點V_LDO之負載供電，則在步驟S17中驅動該負載。

電池充電

若步驟S13中之判斷結果係為所轉換之功率大於連接至節點V_LDO之負載所需之功率，則在步驟S15中驅動該負載。同時，在步驟S140中對電池1201再充電。

步驟S15及S140係藉由根據充電排序器1802而正確地連接各開關1804來執行。更具體而言，為驅動負載並對電池再充電，使節點V_OUT連接至節點V_BATOUT及節點V_BAT1。

執行步驟S15及S140，直至藉由比較器1502及1303以及優先順位仲裁器1601而偵測到所轉換之功率大小已改變為止，及/或直至偵測到負載所使用之功率大小已改變為止。

電池再充電步驟S140係由步驟S141、S142及S143構成。步驟S141係藉由將至少V_OUT連接至V_BAT1來對電池再充電。在步驟S142中，藉由SWAP比較器1801來判斷電池是否已被充電至一與保存於充電排序器1802中之電池1201之最小充電臨限值相對應之值。若在步驟S142中判定該電池被充電至至少該最小充電臨限值，則使V_BATOUT自V_OUT斷開，並使優先順位仲裁器1601運作以轉換功率來驅動負載。此將有效地捨棄原本可被轉換而負載並不需要之電量。

更具體而言，一旦輸出電壓V_OUT穩定化，則在對該等電池充電之前，可判定該等電池之充電狀態。在具有多個電池1201、4202及4203之情形中，可判定各該電池之充電狀態。此不僅能夠得知該等電池之充電狀態，且亦能夠偵測到該等電池之潛在問題(例如，可偵測到一短路或一開路)。

充電排序器1802組態以儲存與該等電池之品質相關之資訊(充電水準及/或缺陷)並藉以在能量轉換器運作期間根據所述所儲存之資訊而以一適當之方式管理該等電池之充電及放電。舉例而言，若一電池在一先前檢查期間已被辨別出具有缺陷，則充電排序器可決定不再檢查該電池。此外，充電排序器可決定不對該電池充電及/或放電。

當使用可在市場上購得之薄膜電池時，建議使用一恆壓充電方法。然而，在於30℃下對一1毫安(mAH)電池充電之情形中，施加一例如為4.1伏之恆壓能夠將一10毫安至30毫安之電流注入該電池中。同時，此種電流可能無法自光電壓產生器1101之輸出得到。在此種情形中，可以一恆定功率替代一恆壓來對電池充電。因此，優先順位仲裁器1601組態以偵測輸出電壓V_OUT之發散並啟動一功能模式；於該功能模式中充電控制器1803操作於線性模式。優先順位仲裁器1601更組態以使升壓轉換器運作於如下方式：藉由將來自電容1006之電流脈衝轉移至電容1008而調節輸入電壓V_INPV。

存在用於產生電流脈衝之不同選項。舉例而言，可將該等脈衝動態地間隔開，以調節輸入電壓。

第一實施例之第三替代方案之電池充電

圖9例示對第一實施例之第三替代方案(包括複數個電池1201、4202及4203)之充電操作。

圖9所示操作不同於圖5所示操作之處在於，圖9所示操作中存在不止一個電池。更具體而言，圖5之步驟S140及S190分別被圖9之步驟S240及S290取代。

放電步驟S240包括步驟S244、步驟S141、步驟S142、步驟S245及步驟S143。步驟S141、步驟S142及步驟S143分別對應於圖5之相應步驟。

在步驟S244中，由充電排序器1802判斷哪個電池需要充電。更具體而言，欲被充電之電池係為具有最低充電值者。

一旦該電池被充電，則在步驟S141及S142期間，由充電排序器1802判斷另一電池是否需要充電。若「是」，則如上所述在步驟S244中選擇下一個欲被充電之電池。若「否」，則如圖5所述在步驟S143中捨棄多餘之功率。

藉由此種方式，將確保優先對具有一較低充電值之電池再充電。此有利之處在於，藉由對充電值更接近與最大放電臨限值相對應之值之電池再充電、而非對一具有一較高充電值之電池再充電，能夠使充電/放電循環減少，並因此會延長電池之使用壽命。

電池放電

若步驟S16中的判斷結果係為所轉換之功率不足以為連接至節點V_LDO之負載供電，則在步驟S18中驅動負載、同時在步驟S190中對電池放電。

步驟S18及S190係藉由根據充電排序器1802而正確地連接各開關1804來執行。更具體而言，為驅動負載並對電池放電，使節點V_OUT連接至節點V_BATOUT及節點V_BAT1。

執行步驟S18及S190，直至藉由比較器1502及1303以及優先順位仲裁器1601而偵測到所轉換之功率大小已改變為止，及/或直至偵測到負載所使用之功率大小已改變為止，及/或直至藉由SWAP比較器1801而偵測到電池1201放電至一與儲存於充電排序器1802中之最大放電臨限值相對應之值為止。

電池放電步驟S190係由步驟S191及S192構成。步驟S191係藉由將至少V_BAT1連接至V_BATOUT而對電池放電。在步驟S192中，由SWAP比較器1801判斷電池是否已被放電至與保存於充電排序器1802中之電池1201之最大放電臨限值相對應之值。若判定電池已放電至至少一與電池1201之最大放電臨限值相對應之值，則中斷步驟S18及S190。

第一實施例之第三替代方案之電池放電

圖9例示第一實施例之第三替代方案(包括複數個電池1201、4202及4203)之放電操作。

圖9所示操作不同於圖5所示操作之處在於，圖9所示操作中存在不止一個電池。更具體而言，圖5之步驟S140及S190被圖9之步驟S240及S290取代。

放電步驟S290包括步驟S292、步驟S191、步驟S192、及步驟S294。步驟S191及步驟S192分別對應於圖5之相應步驟。

在步驟S294中，由充電排序器1802判斷可對哪個電池放電。更具體而言，欲被放電之電池係為具有最高充電值者。

在步驟S191及S192中，一旦電池被放電至一與最大放電臨限值相對應之水準，便由充電排序器1802判斷是否可對另一電池放電以保持負載該驅動。若為「是」，則如上所述在步驟S294中選擇下一個欲被放電之電池。若為「否」，則中斷對負載之驅動。

藉由此種方式，確保優先地對具有一較高充電值之電池放電。此有利之處在於，藉由使一充電值更接近一與最小充電臨限值相對應之值之電池放電、而非使具有一較低充電值之電池放電，能減少充電/放電循環之數目，並因此延長電池之使用壽命。

因此，在具有多個電池時所執行之充電/放電操作係為有利的，乃因其會提供更大的靈活性，因而會延長使用壽命。在僅有一個電池之情形中，當可充電或需要放電時，該系統可僅對單一電池充電/放電，而與該電池之充電水準無關。當具有複數個電池時，該系統可判斷對哪個(哪些)電池充電/放電，以嘗試對各該電池進行完全充電/放電。藉由此種方式，可獨立地操作各該電池，進而達成更大之靈活性。

舉例而言，若僅有一個具有某一容量之電池可用，且該容量之40%用於驅動負載，則當轉換出某些額外功率而使得不再需要使電池放電來驅動負載時，可對該電池再充電。然而，此意味著電池將進行一100%至60%至100%之充電循環，而此可能是不理想的。

在同一情形中，若使用二個具有單個電池容量之一半之電池，則可使用第一電池來驅動負載，進而達成與該容量之30%相對應之最終充電水準。當再次具有額外功率時，可使電池完全充滿電，進而達成一100%至30%至100%之充電循環，而第二電池在整個循環期間保持100%。此有利之處在於，其將提高該二電池之使用壽命。

睡眠模式

在其中由第一光電壓產生器1101所產生之可用功率及/或儲存於電池中之能量不足以滿足能量轉換器之功率需求之情形中，可使能量轉換器進入一睡眠模式。在此種可選之睡眠模式中，僅欠電壓閉鎖1403以及比較器1303及1502以及參與產生被輸入至該二比較器之參考訊號之電路可保持接通。此使得能量轉換器能夠在消耗盡可能最小量功率之同時保持遵循電壓之演變。

第二實施例

圖12例示根據本發明第二實施例之一能量轉換器7000之一實施方式。能量轉換器7000不同於本發明第一實施例之能量轉換器1000之處在於，能量並非儲存於電池1201中，而是儲存於一超電容7201中。

在利用一超電容7201取代電池1201時，主要需修改能量轉換器之輸出級，以利用超電容能夠提供功率之方式。更具體而言，能量轉換器7000之SWAP比較器7801具有一用以啟動一大功率模式之額外輸入TX，該大功率模式容許經由LDO 1701自超電容7201將高電流之叢發遞送至負載。此在週期性地需要高功率之RF應用中尤其有利。除由超電容所提供之高功率叢發之外，能量轉換器7000亦能夠提供由光伏電池1101穫取之能量。

能量轉換器7000可更包含一PowerOk輸出，用於以訊號告知外部環境該超電容已充電。

此外，能量轉換器7000無需第一實施例中之用於對電池再充電之組件(例如，充電排序器1802、充電控制器1803、電阻1807及偵測器1806)。

應理解，可將第一實施例與第二實施例相組合。此具有若干優點。可由光電壓產生器1101提供功率。同時，可將可能多餘之功率儲存於電池中或超電容中。若自光伏電池獲得之功率不足，則若需要一穩定大小之電流，則可自電池及/或超電容擷取功率，或若需要一高電流值，則可自超電容擷取功率。藉由此種方式，無論負載所需之電流消耗類型如何，皆可始終確保負載之運作。此外，例如，若僅需要高電流之叢發，則可自電池將功率轉移至超電容。

此外，可將第一實施例之各變型應用於第二實施例，進而提供與針對第一實施例所概述之相同有利效果。

第二實施例之運作類似於第一實施例之運作，不同之處在於，對超電容而非對電池充電/放電。由於超電容之充電電壓不需要如電池一般固定，因此可始終以旁路模式對超電容充電，而無需使用線性模式。在此種情形中，輸入電壓V_INPV之調節優先於輸出電壓V_OUT之調節。藉由優先調節輸入電壓，可保證自光電壓產生器中抽取最大之功率量。

當將第二實施例與第一實施例相組合時，在電池充電期間，可如第一實施例所述來管理輸出電壓調節與輸入電壓調節間之優先順序，而在超電容充電期間，可如第二實施例所述來管理該優先順序。若電池與超電容同時充電，則可對電容器及電池二者使用第一實施例之優先方案。

第三實施例

圖13表示根據本發明第三實施例之一能量轉換器8000。

能量轉換器8000不同於第一實施例之能量轉換器6000之處在於，能量轉換器8000中存在一壓電發電機8103、一熱電發電機8104及該二發電機之運作所需之附加組件。壓電源之特異性在於遞送僅限於幾毫瓦之交流功率並具有一高損耗阻抗。類似之特性亦適用於熱電源。

此外，能量轉換器8000更包含二極體8014及8012、電容器8013、開關8018、電感器8011、由電阻器8016及8017形成之一電阻電橋、一可選之SW電容調節器8401、以及一AVDD選擇區塊8402及一UVLO2 8404。由於壓電發電機可產生高輸出電壓，能量轉換器8000更可包含箝位二極體(clamp diode)8015

若在能量轉換器8000中僅使用壓電源或僅使用熱電源，則能量轉換器8000之運作不同於第一實施例之運作之處在於，優先調節流經調節器8011之電流。一旦訊號V_UVLO2達到UVLO2 8404之高臨限值V_UVLO2H，升壓轉換器便將使輸出電壓V_OUT向上斜升，且若能量轉換器例如處於電池放電模式，則充電排序器將運作以選擇至少一個欲被充電之電池並藉由限制充電電流來對其充電。在此種情形中，升壓轉換器可以一脈寬調變(Pulse-Width Modulation；PWM)方式運作。

此外，當以對電池進行再充電所需之電壓進行充電時，儲存於輸入電容8013中之電荷高於輸出電容1008所需之電荷。更具體而言，選擇電容8013之值，俾使升壓轉換器一旦被充電，UVLO2便不會被驅動至其較低觸發值。換言之，電容8013之值足以保證升壓轉換器之正確啟動及輸出電容1008之充電、同時維持電壓V_UVLO2高於UVLO2之較低觸發電壓。藉由此種方式，在僅由壓電源及/或熱電源提供功率時，可避免能量轉換器8000在啟動操作期間的不正常關閉。

如上所述，充電器可限制電池充電電流。作為另一選擇，或除此之外，若所產生的功率足夠以恆壓對電池充電，則可使充電器進入旁路模式且可使升壓轉換器將儲存於電容8103中之電荷轉移至電池。

若壓電發電機8103及/或熱電發電機8104與光電壓產生器1101結合使用，則由於輸入電容8103之電容值可大於輸入電容1006，故在加電期間使UVLO2 8404之輸出優先於UVLO 1403之輸出。此乃因，若此較大輸入電容8013指示出具有足夠之電荷位準，則升壓轉換器可藉由UVLO2 8404之切換而以一更快方式驅動輸出電壓，而無需等待UVLO 1403切換。更一般而言，該二UVLO其中任一者之切換足以啟動能量轉換器之運作。

若所有發電機皆工作，則光電壓產生器可較其他發電機提供更多功率。舉例而言，光電壓產生器可較TEG(熱電發電機)及壓電發電機產生多出一數量級之功率。因此，在規定能量轉換器之運作狀態時，認為光電壓產生器具有優先順序。

作為另一選擇，或除此之外，若功率不足以確保在驅動負載之同時對電池充電，則可使用壓電發電機或熱電發電機來為電池供電。

作為另一選擇，或除此之外，若光電壓產生器不提供能量，則熱電發電機或壓電發電機可經由一電荷幫浦調節器(charge pump regulator)而連接至輸出。

作為另一選擇，可並非使用單一熱電發電機8012，而是將複數個熱電發電機8012串聯連接。此會提供如下額外優點：該等熱電發電機8012之輸出電壓可高於單一發電機之輸出電壓。此外，藉由使用此種方法，可使能量轉換器8000之設計簡單，乃因無需對熱電發電機8012之輸出進行升壓。

可在不產生對於活有機體及環境而言所不期望的有毒物質(例如，鉛、磷、含有鉍的Bi2Te3、銻)之條件下實作能量轉換器。而是，可以矽或任何環境友好型材料來實作能量轉換器。

第二實施例及第三實施例之運作類似於第一實施例之運作。換言之，對一個或複數個能量儲存元件之充電/放電循環之管理係類似的，而與所使用之發電機類型無關且與所使用之能量儲存元件類型無關。

本發明係關於一種能量轉換器，其能夠轉換接收自複數個發電機之能量，該等發電機能夠自環境中穫取電力。此種發電機其中之一可係為例如一光電壓產生器。在此種情形中，本發明之能量轉換器組態以接收第一光電壓產生器之輸出作為第一輸入。此外，該能量轉換器組態以自一第二發電機(例如，一第二光電壓產生器)接收一第二輸入。能量轉換器之第一輸入可用以自第一光電壓產生器接收能量，該能量可被能量轉換器轉換。同時，能量轉換器之第二輸入可用以自第二光電壓產生器接收一開路電壓。如此一來，可感測第二光電壓產生器之一精確開路電壓值，並使用此值作為第一光電壓產生器之開路電壓之一估測值。

藉由使用所感測之開路電壓，可估測為提高功率效率而應使第一光電壓產生器所輸出之電壓保持之值。換言之，藉由參照第二光電壓產生器之所感測開路電壓，能量轉換器可轉換接收自第一光電壓產生器之能量，俾使由第一光電壓產生器所輸出之電壓保持於一能夠提高第一光電壓產生器所產生之功率大小之位準。

藉由使用此種方法，本發明之能量轉換器能夠自第一光電壓產生器擷取接近最佳值之功率，而無需一複雜之解決方案(例如，MPPT技術所代表之解決方案)。

更一般而言，雖然已參照一光電壓產生器闡釋了本發明之各實施例，但本發明並非僅限於此，而是亦可應用於電壓-電流特性類似於圖14所示者之任何發電機。

此外，本發明之能量轉換器可組態以自一附加熱電發電機及/或一附加壓電發電機獲取電力。即使當本發明之能量轉換器被實施成自上述三種發電機獲取電力時，亦可使本發明之能量轉換器之架構保持簡單，進而相較MPPT技術而言其運作所需之電力減少。

此外，本發明可關於一種能量轉換及儲存系統，其包括能量轉換器及至少一個能量儲存元件。

此外，雖然在圖4至圖14中顯示電流偵測器1806位於節點V_OUT與電晶體1805之間，但本發明並非僅限於此。作為另一選擇，或除此之外，亦可將電流偵測器1805置於電晶體1805與電池1201之間。作為再一選擇，或除此之外，可將電流偵測器1806置於二極體1007與節點V_OUT之間。

此外，參照一升壓轉換器闡釋了各實施例。然而，本發明並非僅限於此。可使用一降壓轉換器來取代一升壓轉換器。再一選擇為，可使用一降壓-升壓轉換器。可在估測第一發電機之最佳輸出電壓之前或之後決定使轉換器以一升壓(升高)還是降壓(下降)方式運作。此決定係藉由將第一發電機輸出電壓(在藉由考慮第二發電機來達成最佳化之前或之後)V_INPV與電池電壓V_BAT及/或輸出電壓V_OUT相比較來執行。

舉例而言，在運作時，在某一時間V_INPV可等於20伏且V_BAT可等於4伏。此時，一降壓-升壓轉換器可以一降壓模式運作(降頻轉換)。而在一不同時間，V_INPV可等於3伏且V_BAT可等於4伏，此時一降壓-升壓轉換器可以一升壓模式運作(升頻轉換)。此有利之處在於，其根據第一光電壓產生器目前所輸出之電壓而提供靈活性。

作為另一選擇，或除此之外，若第一光電壓產生器之電壓值被設計成保持於V_INPV=20伏且V_BAT=4伏，則可實作一降壓轉換器來取代一降壓-升壓轉換器。

作為再一選擇，或除此之外，若第一光電壓產生器之電壓值被設計成保持於V_INPV=3伏且V_BAT=4伏，則可實作一升壓轉換器來取代一降壓-升壓轉換器。

作為再一選擇，或除此之外，可使用複數個第一光電壓產生器1101，且該等發電機與能量轉換器間之連接可被電性控制成一並聯連接或一串聯連接。更具體而言，一組中的某些發電機可並聯連接，且該組可與另一發電機或一組發電機串聯連接。更一般而言，可達成任二發電機間之任意連接。藉由此種方式，根據所需之輸出電壓而定，該等發電機間之連接可被控制成能提供一V_INPV，該V_INPV之值最接近所需輸出電壓。

舉例而言，若使用5個分別提供4伏之發電機且所需V_BAT係為3伏，則該等發電機可並聯連接。另一方面，若各該發電機提供4伏且所需V_BAT係為4伏，則其可串聯連接。此外，若各該發電機提供2伏且所需V_BAT係為4伏，則該等發電機可被兩兩串聯連接，且各兩兩串聯之群組可相互並聯。

雖然圖中例示出節點V_BATOUT及V_LDO係為浮動的，但本發明並非僅限於此。舉例而言，其可分別連接至一解耦電容器，該解耦電容器之另一節點連接至一參考電壓(例如，地電壓)。

1‧‧‧電容器

2‧‧‧電容器

3‧‧‧電阻器

4‧‧‧電阻器

5‧‧‧電容器

6‧‧‧電感

7‧‧‧升壓轉換器

8‧‧‧電阻器

9‧‧‧電阻器

10‧‧‧電容器

11‧‧‧負載

12‧‧‧光伏電池

13‧‧‧開關

V_IN‧‧‧輸入

UVLO‧‧‧埠

VAUX‧‧‧埠

L‧‧‧輸出

300‧‧‧能量轉換器

301‧‧‧第一發電機

302‧‧‧第二發電機

303‧‧‧參考電壓單元

304‧‧‧比較器

305‧‧‧比較器

306‧‧‧優先順序單元

307‧‧‧轉換器單元

V_INPV‧‧‧輸入電壓

V_PVSS‧‧‧開路電壓/輸入埠

FB‧‧‧埠/節點/反饋訊號

V_INTarg‧‧‧參考電壓/最佳化電壓值

V_REF‧‧‧參考電壓

V_OUT‧‧‧輸出電壓

1000‧‧‧能量轉換器

1006‧‧‧電容器

1007‧‧‧二極體

1008‧‧‧電容器

1010‧‧‧電感

1101‧‧‧第一光電壓產生器

1102‧‧‧第二光電壓產生器

1201‧‧‧電池

1301‧‧‧溫度感測器

1302‧‧‧最佳V_IN估測器

1303‧‧‧比較器

1403‧‧‧UVLO

1501‧‧‧VREF發電機連同其他類比電路

1502‧‧‧比較器

1601‧‧‧優先順位仲裁器

1602‧‧‧升壓控制器

1603‧‧‧電晶體

1701‧‧‧低壓降穩壓器(LDO)

1801‧‧‧SWAP比較器

1802‧‧‧充電排序器

1803‧‧‧充電控制器

1804‧‧‧控制開關

1805‧‧‧電晶體

1806‧‧‧電流偵測器

1807‧‧‧電阻

V_BAT1‧‧‧埠

V_LDO‧‧‧輸出埠

V_UVLO‧‧‧埠/電壓

V_BATSENSE‧‧‧電壓

V_RefMAX‧‧‧高電壓

V_RefMIN‧‧‧低電壓值

V_BATOUT‧‧‧節點

2000‧‧‧能量轉換器

2602‧‧‧升壓控制器

2604‧‧‧電晶體

2605‧‧‧電晶體

3000‧‧‧能量轉換器

3003‧‧‧電容器

3004‧‧‧電容器

3401‧‧‧可選之開關SW電容調節器

3402‧‧‧類比電源AVDD選擇區塊

4000‧‧‧能量轉換器

4202‧‧‧電池

4203‧‧‧電池

4804‧‧‧開關

5000‧‧‧能量轉換器

5001‧‧‧電阻器

5002‧‧‧電阻器

5005‧‧‧電阻器

5009‧‧‧電阻器

6000‧‧‧能量轉換器

7000‧‧‧能量轉換器

7201‧‧‧超電容

7801‧‧‧SWAP比較器

8000‧‧‧能量轉換器

8011‧‧‧電感器

8012‧‧‧二極體

8013‧‧‧電容器

8014‧‧‧二極體

8015‧‧‧箝位二極體

8016‧‧‧電阻器

8017‧‧‧電阻器

8018‧‧‧開關

8103‧‧‧壓電發電機

8104‧‧‧熱電發電機

8401‧‧‧可選之SW電容調節器

8402‧‧‧AVDD選擇區塊

8404‧‧‧UVLO2

V_UVLO2‧‧‧訊號

附圖包含於本說明書中並形成本說明書之一部分，以例示本發明之若干實施例。該等附圖與本說明一起用於闡釋本發明之特徵、優點及原理。該等附圖僅用於例示用以說明如何製作及使用本發明之較佳實例及替代實例，而不應被視為將本發明限制於僅所示及所述之實施例。根據以下對該等附圖所示本發明各種實施例之更具體說明，其他特徵及優點將變得顯而易見，在該等附圖中，相同之參考編號指示相同之元件，其中：圖1例示根據本發明一實例性實施例之一能量轉換器之一示意性實例；圖2A及圖2B例示圖1所示能量轉換器之示意性波形；圖3例示根據本發明一實施例之一能量轉換器及一能量轉換及儲存系統之一示意性實例；圖4例示根據本發明一第一實施例之一能量轉換器及一能量轉換及儲存系統之一示意性實例；圖5例示圖4所示第一實施例之一示意性運作；圖6例示根據本發明第一實施例之一第一變型之一能量轉換器及一能量轉換及儲存系統之一示意性實例；圖7例示根據本發明第一實施例之一第二變型之一能量轉換器及一能量轉換及儲存系統之一示意性實例；圖8例示根據本發明第一實施例之一第三變型之一能量轉換器及一能量轉換及儲存系統之一示意性實例；圖9例示圖8所示第一實施例之第三變型之一示意性運作；圖10例示根據本發明第一實施例之一第四變型之一能量轉換器及一能量轉換及儲存系統之一示意性實例；圖11例示包含本發明第一實施例之第一、第二、第三、及第四變型之一能量轉換器及一能量轉換及儲存系統之一示意性實例；圖12例示根據本發明一第二實施例之一能量轉換器及一能量轉換及儲存系統之一示意性實例；圖13例示根據本發明一第三實施例之一能量轉換器及一能量轉換及儲存系統之一示意性實例；以及圖14例示一光電壓產生器之輸出電流及功率隨輸出電壓之變化之之一示意圖。