TWI770985B - 高效率充電系統及其電源轉換電路 - Google Patents

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Abstract

一種電源轉換電路，包括電感切換電源轉換器以及電容切換電源轉換器，電感切換電源轉換器用以切換一電感以轉換直流電源而產生第一電源，電容切換電源轉換器用以切換一轉換電容器以轉換第一電源而產生一充電電源。該電感切換電源轉換器與該電容切換電源轉換器根據直流電源之一參數，而決定操作於對應的調節模式或對應的短路導通模式之組合。

Description

高效率充電系統及其電源轉換電路
本發明係有關於一種充電系統，特定而言係有關於一種同時具有電感切換電源轉換器及電容切換電源轉換器的高效率充電系統。本發明也有關於一種用於高效率充電系統的電源轉換電路。
圖1顯示一種先前技術之電感切換電源轉換器（電感切換電源轉換器1001），電感切換電源轉換器1001包括至少一電感L以及複數切換元件(如M11、M12)，複數切換元件用以切換電感L與直流電源(如VBUS、IBUS)及充電電源(如VCH、ICH)的耦接關係，以轉換直流電源而產生充電電源。舉例而言，電感切換電源轉換器1001例如為降壓型電感切換電源轉換器(buck switching converter)。
圖2顯示一種先前技術之電容切換電源轉換器（電容切換電源轉換器1002），電容切換電源轉換器1002包括至少一轉換電容器CF以及複數切換開關，複數切換開關用以切換電感L與直流電源(如VBUS)及充電電源(如VCH、ICH)的耦接關係，以轉換直流電源而產生充電電源。舉例而言，電容切換電源轉換器1002例如為分壓型電容切換電源轉換器(capacitor voltage divider)。
圖3顯示一種先前技術之負載開關電路（負載開關電路1003），當電源發送單元100例如對應為符合通用序列匯流排電源傳輸協定(USB PD)的電源適配器時，電源發送單元100可根據電池的狀態與充電階段，而直接提供對應的充電電源，具體而言，電源發送單元100例如可適應性調整的恆定電壓，或是恆定電流，通過負載開關電路1003，而直接對電池300充電，藉此，可減少電源轉換電路的級數，而提高整體充電系統的電源轉換效率。然而，當使用者改採用例如僅能提供定電壓之較為舊型的電源適配器時，負載開關電路1003又無法提供適當的電源轉換。
本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種串接式的電源轉換電路，具有彼此串接的電感切換電源轉換器與電容，電源轉換電路可依據直流電源與充電電源之間的關係，而適應性地控制電感切換電源轉換器與電容，組合操作於典型的切換式的調節模式下，或者操作於對應的短路導通模式下，藉此可藉由具有彈性的轉換方式而提高充電系統整體的電源轉換效率。
於一觀點中，本發明提供一種電源轉換電路，包含：一電感切換電源轉換器，用以切換一電感以轉換一直流電源而產生一第一電源；以及一電容切換電源轉換器，用以切換一轉換電容器以轉換該第一電源而產生一充電電源；其中該電感切換電源轉換器與該電容切換電源轉換器根據該直流電源之一參數，而決定操作於對應的調節模式或對應的短路導通模式之交叉組合之一；其中於該對應的調節模式下，該電感切換電源轉換器調節對應的該第一電源至對應的一預設目標，或者該電容切換電源轉換器調節對應的該充電電源至對應的一預設目標；其中於該對應的短路導通模式下，該電感切換電源轉換器短路導通該直流電源至該第一電源，或者該電容切換電源轉換器短路導通該第一電源至該充電電源。
於一實施例中，該電感切換電源轉換器包括複數切換元件，複數該切換元件用以切換該電感與該直流電源及該第一電源的耦接關係，以轉換該直流電源而產生該第一電源；以及該電容切換電源轉換器包括複數切換開關，複數該切換開關用以切換該轉換電容器與該第一電源及該充電電源的耦接關係，以轉換該第一電源而產生該充電電源； 其中該電感切換電源轉換器具有一第一調節模式及一第一短路導通模式，於該第一調節模式下，複數該切換元件切換該電感以調節該第一電源至一第一預設目標，於該第一短路導通模式下，對應之至少一該切換元件控制為導通，以短路導通該直流電源至該第一電源；其中該電容切換電源轉換器具有一第二調節模式及一第二短路導通模式，於該第二調節模式下，複數該切換開關切換該轉換電容器以調節該充電電源至一第二預設目標，於該第二短路導通模式下，對應之至少一該切換開關控制為導通，以短路導通該第一電源至該充電電源；其中，該電源轉換電路根據該直流電源之該參數而決定該電感切換電源轉換器操作於該第一調節模式或該第一短路導通模式，及/或決定該電容切換電源轉換器操作於該第二調節模式或該第二短路導通模式。
於一實施例中，其特徵在於，於該直流電源之一直流電壓低於一第一閾值時，該電感切換電源轉換器操作於該第一短路導通模式，其中該第一閾值相關於該充電電源之一充電電壓；或者於該直流電壓低於一第二閾值時，該電容切換電源轉換器操作於該第二短路導通模式，其中該第二閾值相關於該充電電壓與一電流放大率之乘積，其中該電流放大率為該充電電源之一充電電流與該第一電源之一第一電流之比例；或者當該直流電源之一直流電流為恆定時，該電感切換電源轉換器操作於該第一短路導通模式；或者當該直流電源之一直流電流為恆定，且該直流電壓為可變且可超過該第二閾值時，該電感切換電源轉換器操作於該第一短路導通模式，且該電容切換電源轉換器操作於該第二調節模式。
於一實施例中，該電感切換電源轉換器對應為一降壓型切換電源轉換器或一升降壓型切換電源轉換器。
於一實施例中，該直流電源由一交流-直流(AD-DC)轉換器提供。
於一實施例中，該電容切換電源轉換器對應為一分壓型電容切換電源轉換器。
於一實施例中，該充電電源的一充電電壓為該第一電源之一第一電壓的1/2或1/4，且該充電電源的一充電電流對應地為該第一電源之一第一電流的2倍或4倍。
於一實施例中，當該電感切換電源轉換器對應為一降壓型切換電源轉換器，且該直流電壓為可調整(programmable) 且低於該第一閾值時，該複數切換元件中的一上橋開關完全導通，以短路導通該直流電源與該第一電源。
於一實施例中，當該直流電壓低於該第二閾值時，該複數切換開關中的部分開關完全導通，以短路導通該第一電源與該充電電源。
於一實施例中，該交流-直流轉換器為符合通用序列匯流排電源傳輸協定(USB PD)的電源適配器。
於一實施例中，該電源轉換電路更包括一控制電路，用以通過一通訊介面而控制該直流電源之該直流電壓及/或該直流電源之一直流電流。
於一實施例中，該通訊介面對應為通用序列匯流排協定(USB)的D+與D-訊號，或對應為通用序列匯流排電源傳輸協定(USB PD)的CC1與CC2訊號。
於一實施例中，該電源轉換電路更包括一控制電路，用以控制該直流電源之該直流電壓及/或該直流電源之一直流電流，使得該電源轉換電路操作於一最大效率操作點。
於又一觀點中，本發明提供一種充電系統，用以轉換一輸入電源而產生一充電電源，該充電系統包含：一電源發送單元，用以轉換該輸入電源而產生一直流電源；以及如請求項1至13之任一電源轉換電路，用以轉換該直流電源而產生該充電電源。
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。
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。
請參閱圖4並同時參閱圖5，圖4顯示本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖(充電系統1004與電源轉換電路200)。
充電系統1004包含電源發送單元100，電源轉換電路200以及電池300。在一實施例中，充電系統1004還可包括可移除的電纜線400。電源發送單元100用以轉換一輸入電源Vs而產生一直流電源(其包括直流電壓VBUS與直流電流IBUS)，在一實施例中，電源發送單元100例如可為一交流-直流(AD-DC)轉換器，在本實施例中，輸入電源Vs例如可為交流電源，電源發送單元100轉換輸入電源Vs而產生直流電源。在一較佳實施例中，電源發送單元100例如可為一符合通用序列匯流排協定(USB)的電源適配器。
請同時參閱圖5，圖5顯示本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之另一實施例的示意圖(充電系統1005與電源轉換電路200’)。在一較佳實施例中，電源發送單元100’例如可為一符合序列匯流排電源傳輸協定(USB PD)的電源適配器，在一實施例中，電源轉換電路200’可通過通訊介面CB而要求電源發送單元100’，發送符合需求的直流電源之直流電壓VBUS及/或直流電源之直流電流IBUS。在一實施例中，通訊介面CB例如對應為通用序列匯流排協定(USB)的D+與D-訊號，或對應為通用序列匯流排電源傳輸協定(USB PD)的CC1與CC2訊號。
在另一實施例中，電源轉換電路200’可通過通訊介面CB取得或量測電源發送單元100’所發送的直流電壓VBUS與直流電流IBUS的位準。上述的通訊介面CB具體可藉由控制電路207’進行通訊與控制。
請繼續參閱圖4，電源轉換電路200用以轉換直流電源而產生充電電源(其包括充電電壓VCH與充電電流ICH)，在一實施例中，電源轉換電路200包含電感切換電源轉換器205、電容切換電源轉換器206以及控制電路207。
電感切換電源轉換器205包括至少一電感L以及複數切換元件，複數切換元件(例如圖4所示的上橋開關M11與下橋開關M12)用以切換電感與直流電源及第一電源的耦接關係，以轉換直流電源而產生第一電源(即第一電壓V1與第一電流I1)。
在一實施例中，電感切換電源轉換器205具有第一調節模式及第一短路導通模式，於第一調節模式下，控制電路207產生控制訊號ct1而控制電感切換電源轉換器205之複數切換元件的切換，以調節第一電源至第一預設目標，例如調節第一電壓V1至一預設的電壓位準，或是調節第一電流I1至一預設的電流位準。此外，於第一短路導通模式下，控制電路207控制部分之複數切換元件導通，以短路導通直流電源與第一電源。
請繼續參閱圖4，電容切換電源轉換器206包括至少一轉換電容器CF以及複數切換開關，複數切換開關(例如圖4所示的切換開關M21, M22, M23, M24)用以切換轉換電容器CF與第一電源及充電電源的耦接關係，以轉換第一電源而產生充電電源。
在一實施例中，電容切換電源轉換器206具有第二調節模式及第二短路導通模式，於第二調節模式下，控制電路207產生控制訊號ct2而控制電容切換電源轉換器206之複數切換開關的切換，以調節充電電源至第二預設目標，例如調節充電電壓VCH至一預設的電壓位準，或是調節充電電流ICH至一預設的電流位準。此外，於第二短路導通模式下，電容切換電源轉換器206控制部分之複數切換開關導通，以短路導通第一電源與充電電源。
請繼續參閱圖4，在一實施例中，電容切換電源轉換器206可對應為分壓型電容切換電源轉換器206。亦即，充電電源的充電電壓VCH為第一電源之第一電壓V1的1/k倍，且充電電源的充電電流ICH對應地為第一電源之第一電流I1的電流放大率，k倍，在分壓型的電容切換電源轉換器之實施例中，k為大於1的實數。具體舉例而言，在一實施例中，如圖4的配置所示，電流放大率k可為2，亦即，充電電源的充電電壓VCH為第一電源之第一電壓V1的1/2，且充電電源的充電電流ICH對應地為第一電源之第一電流I1的2倍。在另一實施例中，以類似於圖4的分壓概念，電流放大率k可為4，亦即，充電電源的充電電壓VCH可配置為第一電源之第一電壓V1的1/4，且充電電源的充電電流ICH對應地為第一電源之第一電流I1的4倍。
具體而言，本實施例中，控制電路207控制電容切換電源轉換器206之複數切換開關M21, M22, M23, M24，使轉換電容器CF之第一端週期性地於第一充電轉換時段(對應於例如PH1)與第二充電轉換時段(對應於例如PH2)中分別對應切換而電性連接於第一電壓V1與充電電壓VCH之間，且使轉換電容器CF之第二端於第一充電轉換時段PH1與第二充電轉換時段PH2中分別對應切換而電性連接於充電電壓VCH與接地點之間，藉此，使得充電電壓VCH為第一電壓V1的1/2，且充電電流ICH對應地為第一電流I1的2倍。
值得說明的是，在一實施例中，於第一短路導通模式下，所述的部分之複數切換元件，其在第一調節模式下，皆係用以切換電感L以進行電感切換電源轉換之切換元件，就一觀點而言，所述的部分之複數切換元件，其在第一調節模式下，至少於每一切換週期內，皆用以導通與關斷該電感至少各一時段。換言之，所述的部分之複數切換元件皆非專用以短路導通，而於第一調節模式下，具有週期性切換電感L之功能。
另一方面，在一實施例中，於第二短路導通模式下，所述的部分之複數切換開關，其在第二調節模式下，皆係用以切換轉換電容器以進行電容切換電源轉換之切換開關，就一觀點而言，所述的部分之複數切換開關，其在第二調節模式下，至少於每一切換週期內，皆用以導通與關斷該電容至少各一時段。換言之，所述的部分之複數切換開關皆非專用以短路導通。
請繼續參閱圖4，在一實施例中，控制電路207根據直流電源及充電電源之參數之至少之一而決定電感切換電源轉換器205操作於第一調節模式或第一短路導通模式，及/或控制電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式或第二短路導通模式。在一實施例中，所述的直流電源及充電電源之參數可為例如但不限於直流電壓VBUS、直流電流IBUS、充電電壓VCH、充電電流ICH中的至少之一，在一實施例中，控制電路207根據所述參數與至少一閾值之關係，而決定電感切換電源轉換器205與電容切換電源轉換器206上述操作模式的組合。或者，在另一實施例中，控制電路207根據直流電壓VBUS、直流電流IBUS、充電電壓VCH、充電電流ICH中的至少之二者之間例如但不限於大小或倍率的關係，而決定電感切換電源轉換器205與電容切換電源轉換器206上述操作模式的組合。更具體的實施例容後詳述。
請繼續參閱圖4，在一實施例中，電感切換電源轉換器例如可對應為如圖4實施例中的降壓型切換電源轉換器(對應於205)，或可為如圖6A所示的升降壓型切換電源轉換器(對應於208)，或是圖6B所示的升壓型切換電源轉換器(對應於209)。就一觀點而言，電感切換電源轉換器還可以是其他電感切換式電源架構，只要可通過操作其至少部分之用以切換電感的切換元件，而具有短路導通其輸入與輸出(即直流電源與第一電源)之功能，即可適用於本發明。
請繼續參閱圖4，在一具體實施例中，於所述的第一短路導通模式下，控制電路207控制上橋開關M11為恆導通。在一實施例中，於所述的第一短路導通模式下，控制電路207控制下橋開關M12為恆不導通。在另一實施例中，下橋切換元件亦可為例如二極體。需說明的是，就一觀點而言，於第一短路導通模式下，直流電源與第一電源的短路導通路徑同時包括了恆導通的上橋開關M11以及電感L。
請繼續參閱圖6A，本實施例中，於所述的第一短路導通模式下，輸入上橋開關M13與輸出上橋開關M15控制為恆導通，且輸入下橋開關M14與輸出下橋開關M16控制為恆不導通。
請繼續參閱圖6B，本實施例中，於所述的第一短路導通模式下，上橋開關M17控制為恆導通，且下橋開關M18控制為恆不導通。
另一方面，請繼續參閱圖4，在一具體實施例中，於所述的第二短路導通模式下，控制電路207控制切換開關M21與M22為恆導通，且控制切換開關M24為恆不導通。在一實施例中，於所述的第二短路導通模式下，切換開關M23可為恆不導通或恆導通。
需說明的是，以下實施例將以如圖4實施例中的降壓型的電感切換電源轉換器，以及分壓型的電容切換電源轉換器繼續說明其他細節實施例，但非限制本發明之範疇。
圖7顯示根據本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖(充電系統1007與電源轉換電路200)。本實施例基於如圖4之實施例，本實施例中，電源發送單元100所發送的直流電壓VBUS例如為9V，且直流電流IBUS例如可輸出達2.3A，換言之，本實施例中，電源發送單元100可輸出的最大功率約可達21W。此外，本實施例中，電池電壓VBAT例如為3.5V(對應於充電電壓VCH)，且可採取恆定電流模式以產生充電電流ICH(對應於電池電流IBAT)而對電池300充電，此外，若控制電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式，在前述的電流放大率k為2的條件下，第一電壓V1 (充電電壓VCH之2倍)將會是7V，在此情況下，直流電壓VBUS與第一電壓V1的差值仍大於0，電容切換電源轉換器206可操作於第二調節模式的條件成立。在一實施例中，控制電路207可決定電感切換電源轉換器205操作於第一調節模式，且電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式。在此情況下，可以最大功率對電池300充電。具體而言，本實施例中，於第一調節模式下，直流電壓VBUS為9V，直流電流可輸出達2.3A，第一電壓V1為7V，第一電流I1可達3A，且於第二調節模式下，充電電壓VCH為3.5V，充電電流ICH可達6A。
圖8顯示根據本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖(充電系統1008與電源轉換電路200)。本實施例基於如圖4之實施例，本實施例中，電源發送單元100所發送的直流電壓VBUS例如可達9V，且直流電流IBUS例如可輸出達2A，換言之，本實施例中，電源發送單元100可輸出的最大功率可達18W。本實施例中，電池電壓VBAT例如為3.5V(對應於充電電壓VCH)，且可採取恆定電流模式以產生充電電流ICH而對電池300充電，此外，若控制電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式，在前述的電流放大率k為2的條件下，第一電壓V1 (充電電壓VCH之2倍)將會是7V，在此情況下，直流電壓VBUS與第一電壓V1的差值仍大於0，電容切換電源轉換器206可操作於第二調節模式的條件成立。
在一實施例中，如圖8所示，控制電路207可決定電感切換電源轉換器205操作於第一短路導通模式(以粗實線示意M11恆導通，以空白示意M12恆不導通)，且電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式。具體而言，本實施例中，電源發送單元100提供最大之恆定電流，即直流電流IBUS為2A，電感切換電源轉換器205操作於第一短路導通模式下，第一電流I1亦為2A，而電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式下，充電電流ICH為4A，且直流電壓VBUS與第一電壓V1皆等於7V。
值得注意的是，在此情況下，由於電感切換電源轉換器205未進行切換式電源轉換，而減少了切換能損，因此，充電系統1008可在較高的電源轉換效率下對電池300充電，當電源發送單元100對應為另一以電池供電的行動式裝置，或是對應於一行動電源時，特別可以延長電源發送單元100自身的電池壽命，此外，一般來說位於一行動裝置內的電源轉換電路200亦可因而降低操作溫度。
此外，在另一實施例中，電感切換電源轉換器205具有一最大占空比Dmax，當直流電壓VBUS與第一電壓V1的關係，使得電感切換電源轉換器205操作於第一調節模式時，會超過最大占空比Dmax，在此情況下，亦可決定電感切換電源轉換器205操作於第一短路導通模式。
圖9顯示根據本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖(充電系統1009與電源轉換電路200)。本實施例基於如圖4之實施例，本實施例中，電源發送單元100所發送的直流電壓VBUS例如為5V，且直流電流IBUS例如可輸出達2.1A，換言之，本實施例中，電源發送單元100可輸出的最大功率可達10.5W。本實施例中，電池電壓VBAT例如為3.5V(對應於充電電壓VCH)，且可採取恆定電流模式以產生充電電流ICH而對電池300充電，此外，若控制電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式，在前述的電流放大率k為2的條件下，第一電壓V1 (充電電壓VCH之2倍)將會是7V，在此情況下，直流電壓VBUS與第一電壓V1的差值小於0，亦即，電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式的條件並不成立。
因此，在一實施例中，如圖9所示，控制電路207可決定電感切換電源轉換器205操作於第一調節模式，且電容切換電源轉換器206操作於第二短路導通模式(以粗實線示意M21, M22恆導通，以空白示意M23, M24恆不導通)。在此情況下，可以最大功率對電池300充電。具體而言，本實施例中，直流電壓VBUS以5V供電，電感切換電源轉換器205操作於第一調節模式下，第一電流I1被調節於3A，而電容切換電源轉換器206操作於第二短路導通模式下，第一電壓V1與電池電壓VBAT相同，皆為3.5V，在此情況下，直流電流IBUS對應為2.1A，亦即，本實施例以最大功率對電池300充電。
圖10顯示根據本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖(充電系統1010與電源轉換電路200)。本實施例基於如圖4之實施例，本實施例中，電源發送單元100所發送的直流電壓VBUS例如可輸出達5V，且直流電流IBUS例如可輸出達2A，換言之，本實施例中，電源發送單元100可輸出的最大功率可達10W。本實施例中，電源發送單元100的電壓條件與圖9的實施例類似，亦即，電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式的條件並不成立。
因此，在一實施例中，如圖10所示，控制電路207可決定電感切換電源轉換器205操作於第一短路導通模式，且電容切換電源轉換器206操作於第二短路導通模式，控制電路207可通過前述的通信介面CB要求電源發送單元100以定電流輸出。具體而言，本實施例中，電源發送單元100的直流電流IBUS被調節於2A，於第一短路導通模式與第二短路導通模式下，第一電流I1及充電電流ICH亦同時為2A，且第一電壓V1與直流電壓VBUS皆等於3.5V，即對應於電池電壓VBAT。換言之，充電系統1010操作於直接充電模式，由電源發送單元100直接對電池300進行恆定電流充電。
圖11顯示根據本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖(充電系統1011與電源轉換電路200’)。本實施例基於如圖4之實施例，本實施例中，電源發送單元100，例如可選地在一低功率模式下，所發送的直流電壓VBUS可輸出達5V，且對應的直流電流IBUS例如可輸出達2A，換言之，本實施例中，在此模式下，電源發送單元100可輸出的最大功率可達10W。而在一高功率模式下，所發送的直流電壓VBUS可輸出達9V，且對應的直流電流IBUS例如可輸出達2A，換言之，本實施例中，在此高功率模式下，電源發送單元100可輸出的最大功率可達18W。本實施例中，電池電壓VBAT例如為3.5V(對應於充電電壓VCH)，且可採取恆定電流模式以產生充電電流ICH而對電池300充電，此外，若控制電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式，在前述的電流放大率k為2的條件下，第一電壓V1 (充電電壓VCH之2倍)將會是7V，亦即，直流電壓VBUS需大於等於7V。
因此，在本實施例中，如圖11所示，可選地，控制電路207決定電感切換電源轉換器205操作於第一短路導通模式，且電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式，此外，控制電路207可通過前述的通信介面CB要求電源發送單元100以定電流輸出且操作於高功率模式。具體而言，本實施例中，電源發送單元100的直流電流IBUS被調節於2A，於第一短路導通模式與第二調節模式下，第一電流I1及充電電流ICH分別為2A與4A，且第一電壓V1與直流電壓VBUS皆等於7V，即對應於電池電壓VBAT之2倍。
就一觀點而言，根據前述實施例的說明，可以歸納出控制電路207決定電感切換電源轉換器205操作於第一短路導通模式，或決定電容切換電源轉換器206操作於第二短路導通模式之時機的原則，詳述如後。
在一實施例中，當直流電源之直流電壓VBUS低於第一閾值Vth1時，電感切換電源轉換器205操作於第一短路導通模式。在一實施例中，第一閾值Vth1相關於第一電壓V1。而當電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式時，第一電壓V1為電池電壓VBAT的k倍，因此，在一實施例中，第一閾值Vth1相關於k*VBAT。此外，當電容切換電源轉換器206操作於第二短路導通模式時，第一電壓V1等於電池電壓VBAT，因此，在一實施例中，第一閾值Vth1相關於VBAT。
具體舉例而言，假設電感切換電源轉換器205於第一調節模式下的最大占空比為Dmax，在電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式的實施例中，第一閾值Vth1可由下式得出：
Vth1=VBAT*k/Dmax，其中Dmax為大於等於0且小於1之實數。
此外，當電源發送單元100可發送恆定的直流電流IBUS時，如圖8或圖10的實施例所示，亦可選地，可控制電感切換電源轉換器205操作於第一短路導通模式，如前所述，可提高充電系統的電源轉換效率。
從另一角度而言，在一實施例中，當電源發送單元100可發送恆定的直流電流IBUS時，且直流電壓VBUS可變且可超過VBAT*k時，可選地，可控制電感切換電源轉換器205操作於第一短路導通模式，且同時控制電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式。
另一方面，當直流電源之直流電壓VBUS低於第二閾值Vth2時，電容切換電源轉換器206操作於第二短路導通模式，其中第二閾值Vth2相關於電池電壓VBAT。當電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式時，第一電壓V1等於電池電壓VBAT的k倍，而直流電壓VBUS大於等於第一電壓V1，因此，在一實施例中，第二閾值Vth2相關於k*VBAT；具體而言，在一較佳實施例中， Vth2≧k*VBAT。
此外，一般而言，由於最大占空比Dmax通常小於1，因此，電感切換電源轉換器205操作於第一調節模式時，直流電壓VBUS需大於第一電壓V1，因此，在一較佳實施例中，第一閾值Vth1高於該第二閾值Vth2。
具體以圖9與圖10的實施例而言，當直流電壓VBUS電壓過低，無法滿足電容切換電源轉換器206操作於第二調節模式的條件，在此情況下，控制電路207可決定控制電容切換電源轉換器206操作於第二短路導通模式。
綜上所述，在一實施例中，當電感切換電源轉換器205對應為降壓型切換電源轉換器，且直流電壓VBUS為可調整(programmable) 且低於第一閾值Vth1時，複數切換元件中的上橋開關完全導通，以短路導通第一電源與充電電源。
在一實施例中，當直流電壓VBUS低於第二閾值Vth2時，複數切換開關中的部分開關完全導通，以短路導通第一電源與充電電源。
在一實施例中，前述的控制電路207可例如對應為一微控制器，用以通過一通訊介面而控制直流電源之直流電壓VBUS及/或直流電源之直流電流IBUS。
此外，根據前述的各種操作模式之組合，在一實施例中，控制電路207可用以控制直流電源之直流電壓VBUS及/或直流電源之直流電流IBUS，使得電源轉換電路200操作於最大效率操作點。
圖12顯示根據本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖 (充電系統1012與電源轉換電路200”)。本實施例與前述之實施例類似，本實施例中，電感L與轉換電容器CF並不包括於電源轉換電路200”之中，換言之，電感切換電源轉換器205”用以切換電感L，電容切換電源轉換器206”用以切換轉換電容器CF。在一實施例中，電感切換電源轉換器205”、 電容切換電源轉換器206”以及控制電路207整合於一積體電路中，亦即，電源轉換電路200”對應於該積體電路。
如前所述，圖4~圖5，圖7~圖12之實施例皆以降壓型的電感切換電源轉換器，以及分壓型的電容切換電源轉換器，演示本發明之操作，在其他實施例中，則可依照實際的電源轉換器之組合而對應地調整例如前述的倍數k，及閾值的關係，本領域人員當可依本發明之精神而自行推論，在此不予贅述。
本發明提供了一種由電感切換電源轉換器與電容切換電源轉換器串接而成的電源轉換電路，可依照直流電源、電池電壓與狀態等需求，而適應性的選擇電感切換電源轉換器與電容切換電源轉換器之操作模式的組合，以最大功率或高效率之模式，或使得該電源轉換電路操作於一最大效率操作點，以對電池進行充電。
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。
100, 100’: 電源發送單元 1004, 1005, 1007~1012: 充電系統 1001: 電感切換電源轉換器 1002: 電容切換電源轉換器 1003: 負載開關電路 200, 200’, 200”: 電源轉換電路 205, 205”: 電感切換電源轉換器 206, 206”: 電容切換電源轉換器 207, 207’: 控制電路 208: 升降壓型切換電源轉換器 209: 升壓型切換電源轉換器 300: 電池 400: 電纜線 CB: 通訊介面 CF: 轉換電容器 ct1, ct2: 控制訊號 Dmax: 最大占空比 I1: 第一電流 IBAT: 電池電流 IBUS: 直流電流 ICH: 充電電流 k: 電流放大率 L: 電感 M11: 上橋開關 M12: 下橋開關 M21, M22, M23, M24: 切換開關 PH1, PH2: 充電轉換時段 V1: 第一電壓 VCH: 充電電壓 VBAT: 電池電壓 VBUS: 直流電壓 Vth1, Vth2: 閾值
圖1顯示一種先前技術之電感切換電源轉換器的電路示意圖。
圖2顯示一種先前技術之電容切換電源轉換器的電路示意圖。
圖3顯示另一種先前技術之負載開關電路的電路示意圖。
圖4顯示本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖。
圖5顯示本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之另一實施例的示意圖。
圖6A顯示根據本發明之電感切換電源轉換器的一具體實施例的示意圖。
圖6B顯示根據本發明之電感切換電源轉換器的一具體實施例的示意圖。
圖7顯示本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖。
圖8顯示本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖。
圖9顯示本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖。
圖10顯示本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖。
圖11顯示本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖。
圖12顯示本發明之高效率充電系統及其中的電源轉換電路之一實施例的示意圖。
100: 電源發送單元 1004: 充電系統 200: 電源轉換電路 205: 電感切換電源轉換器 206: 電容切換電源轉換器 207: 控制電路 300: 電池 400: 電纜線 CF: 轉換電容器 ct1, ct2: 控制訊號 I1: 第一電流 IBAT: 電池電流 IBUS: 直流電流 ICH: 充電電流 L: 電感 M11: 上橋開關 M12: 下橋開關 M21, M22, M23, M24: 切換開關 PH1, PH2: 充電轉換時段 V1: 第一電壓 VCH: 充電電壓 VBAT: 電池電壓 VBUS: 直流電壓 Vs: 輸入電源

Claims (13)

  1. 一種電源轉換電路，包含：一電感切換電源轉換器，包括複數切換元件，複數該切換元件用以切換一電感與一直流電源及一第一電源的耦接關係，以轉換該直流電源而產生該第一電源；以及一電容切換電源轉換器，包括複數切換開關，複數該切換開關用以切換一轉換電容器與該第一電源及一充電電源的耦接關係，以轉換該第一電源而產生該充電電源；其中該電感切換電源轉換器具有一第一調節模式及一第一短路導通模式，於該第一調節模式下，複數該切換元件切換該電感以調節該第一電源至一第一預設目標，於該第一短路導通模式下，對應之至少一該切換元件控制為導通，以短路導通該直流電源至該第一電源；其中該電容切換電源轉換器具有一第二調節模式及一第二短路導通模式，於該第二調節模式下，複數該切換開關切換該轉換電容器以調節該充電電源至一第二預設目標，於該第二短路導通模式下，對應之至少一該切換開關控制為導通，以短路導通該第一電源至該充電電源；其中，該電源轉換電路根據該直流電源之一參數而決定該電感切換電源轉換器操作於該第一調節模式或該第一短路導通模式，及/或決定該電容切換電源轉換器操作於該第二調節模式或該第二短路導通模式。
  2. 如請求項1所述之電源轉換電路，其特徵在於， 於該直流電源之一直流電壓低於一第一閾值時，該電感切換電源轉換器操作於該第一短路導通模式，其中該第一閾值相關於該充電電源之一充電電壓；或者於該直流電壓低於一第二閾值時，該電容切換電源轉換器操作於該第二短路導通模式，其中該第二閾值相關於該充電電壓與一電流放大率之乘積，其中該電流放大率為該充電電源之一充電電流與該第一電源之一第一電流之比例；或者當該直流電源之一直流電流為恆定時，該電感切換電源轉換器操作於該第一短路導通模式；或者當該直流電源之一直流電流為恆定，且該直流電壓為可變且可超過該第二閾值時，該電感切換電源轉換器操作於該第一短路導通模式，且該電容切換電源轉換器操作於該第二調節模式。
  3. 如請求項1所述之電源轉換電路，其中該電感切換電源轉換器對應為一降壓型切換電源轉換器或一升降壓型切換電源轉換器。
  4. 如請求項1所述之電源轉換電路，其中該直流電源由一交流-直流(AD-DC)轉換器提供。
  5. 如請求項1所述之電源轉換電路，其中該電容切換電源轉換器對應為一分壓型電容切換電源轉換器。
  6. 如請求項4所述之電源轉換電路，其中該充電電源的一充電電壓為該第一電源之一第一電壓的1/2或1/4，且該充電電源的一充電電流對應地為該第一電源之一第一電流的2倍或4倍。
  7. 如請求項2所述之電源轉換電路，其中當該電感切換電源轉換器對應為一降壓型切換電源轉換器，且該直流電壓為可調整(programmable)且低於該第一閾值時，該複數切換元件中的一上橋開關完全導通，以短路導通該直流電源與該第一電源。
  8. 如請求項2所述之電源轉換電路，其中當該直流電壓低於該第二閾值時，該複數切換開關中的部分開關完全導通，以短路導通該第一電源與該充電電源。
  9. 如請求項4所述之電源轉換電路，其中該交流-直流轉換器為符合通用序列匯流排電源傳輸協定(USB PD)的電源適配器。
  10. 如請求項1所述之電源轉換電路，更包括一控制電路，用以通過一通訊介面而控制該直流電源之該直流電壓及/或該直流電源之一直流電流。
  11. 如請求項10所述之電源轉換電路，其中該通訊介面對應為通用序列匯流排協定(USB)的D+與D-訊號，或對應為通用序列匯流排電源傳輸協定(USB PD)的CC1與CC2訊號。
  12. 如請求項1所述之電源轉換電路，更包括一控制電路，用以控制該直流電源之該直流電壓及/或該直流電源之一直流電流，使得該電源轉換電路操作於一最大效率操作點。
  13. 一種充電系統，用以轉換一輸入電源而產生一充電電源，該充電系統包含：一電源發送單元，用以轉換該輸入電源而產生一直流電源；以及 如請求項1至12之任一電源轉換電路，用以轉換該直流電源而產生該充電電源。
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