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CN101951143A - 直流/直流转换器及其开关电路与包括该转换器的装置 - Google Patents

直流/直流转换器及其开关电路与包括该转换器的装置 Download PDF

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CN101951143A
CN101951143A CN201010149522XA CN201010149522A CN101951143A CN 101951143 A CN101951143 A CN 101951143A CN 201010149522X A CN201010149522X A CN 201010149522XA CN 201010149522 A CN201010149522 A CN 201010149522A CN 101951143 A CN101951143 A CN 101951143A
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switch
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capacitor
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Abstract

一种直流/直流转换器及其切换电路、以及包含该转换器的装置，该直流/直流转换器包括：一输入端，用以接收一输入电压；一输出端，用以提供一输出电压；一接地端，用以提供一参考电压；多个电荷泵电容，包括至少第一电荷泵电容、第二电荷泵电容与第三电荷泵电容；以及一开关电路，包括多个开关，其组成可通过选择性导通一部分开关而使所述多个电荷泵电容以混合串/并联模式连接于该输入端与该接地端间或该输入端与该输出端间。本发明可提供电荷泵式直流/直流转换器更多不同的增量因子，以达最大效率。

Description

直流/直流转换器及其开关电路与包括该转换器的装置
技术领域
本发明涉及一种直流/直流转换器与操作直流/直流转换器的方法。本发明的另一方面涉及一种直流/直流转换器的开关电路。本发明的又一方面涉及一种包含直流/直流转换器的装置。
背景技术
便携式装置的电力通常来自电池，电池将电池电压传送到便携式装置的电路。然而，该电路的运行有时会需要比电池电压还大的电压，且此较大的电压一般也必须是稳定的特定电压，例如具有5.5V的特定电压电平。因此，需要利用一直流/直流转换器来将输入电压(如前述电池电压)转换为一输出电压(例如前述特定电压)，提供给输出端。
其中一种直流/直流转换器的型式称为电荷泵式(charge-pump type)。电荷泵式直流/直流转换器的操作于一充电阶段对一电容充电，于一充电期间内将该电容连接至一输入电压与一接地电压之间，接着于一放电阶段对该电容放电，于一放电期间内将该电容连接至一输出端子与该输入电压之间，以于该输出端子处提供一输出电压。该输出电压在理想状况下(例如无切换损耗与寄生损耗)可对应于两倍的输入电压，也就是在充电阶段载入该电容的输入电压加上放电阶段的输入电压。该输出电压与输入电压间的比例可称为增益因子(gain factor)，由于实际上转换器会有一些损耗，因此该输出电压与输入电压间的比例会限制在稍小于2的增益因子。
电容的充放电一般利用多个开关来进行，这些开关的配置选择性地使该电容的一极连接到输入端或接地端，并选择性地使该电容的另一极连接到输出端或输入端。输出电压可通过调整开关的压降而加以调整。例如当使用晶体管作为开关时可调整晶体管的开启电阻值。然而这样会降低转换器的效率，因为开关的压降代表额外的电力减损。此减损的效率对节能来讲冲击很大，而节能又是移动式应用上的一大重点。调整后输出电压与输入电压间的比例又称为增量因子(boosting factor)，此增量因子对应于该增益因子乘上转换器效率。当使用上述电荷泵式直流/直流转换器时，可利用降低效率以得到比增益因子低的增量因子。当增益因子为2而所需的增量因子为1.5时，则转换器的效率必须降至75％(忽略其它损耗)。
欧洲专利申请案EP 1 073 185 A2揭示一种电荷泵式直流/直流转换器，其使用两个电容C1与C2，每一电容分别利用四个开关进行充放电，即与电容C1相关的开关S1、S2、S3、S4以及与电容C2相关的开关S5、S6、S7、S8，如图1所示。与一个电容相关的四个开关可选择性使相对应的电容在充电期间连接到输入电压Vin或参考电压GND，接着通过在放电期间内将该相对应电容连接至一输出端子Vout与该输入电压Vin之间进行该相对应电容于放电阶段的放电动作。电容C1与C2的配置可利用另一开关S9串联或并联，使得该转换器可于两种不同模式下进行操作：第一模式为两个电容串联，如图2(a)所示，第二模式为两个电容并联，如图2(b)所示。
详细而言，如图1所示的直流/直流转换器将一输入电压Vin转换为一输出电压Vout，两者均相对于一参考电压GND，也就是接地电压，进行测量。第一电荷泵电容C1具有第一电极C1a与第二电极C1b，第二电荷泵电容C2具有第一电极C2a与第二电极C2b。分别与两电荷泵式相关的第一开关S1与S5可将相对应电荷泵电容C1，C2的第二电极C1b，C2b连接至输入电压Vin；分别与两个电荷泵电容相关的第二开关S2与S6可将相对应电荷泵电容C1，C2的第二电极C1b，C2b连接至参考电压GND；分别与两个电荷泵电容相关的第三开关S3与S7可将相对应电荷泵电容C1，C2的第一电极C1a，C2a连接至输入电压Vin；分别与两个电荷泵电容相关的第四开关S4与S8可将相对应电荷泵电容C1，C2的第一电极C1a，C2a连接至输出电压Vout。另于第一电荷泵电容C1的第一电极C1a与第二电荷泵电容C2的第二电极C2b间提供一开关S9，开关S9可使第一电荷泵电容C1与第二电荷泵电容C2串联。
在如图2(a)所示的直流/直流转换器的第一模式的充电阶段，其中开关S1～S9建立了第一电荷泵电容C1与第二电荷泵电容C2的串联配置，使其于充电阶段中串联于输入电压Vin与参考电压GND之间，因此得以对第一电荷泵电容C1与第二电荷泵电容C2充电至VC1＝VC2＝Vin/2，其中VC1代表第一电荷泵电容C1的电压，而VC2代表第二电荷泵电容C2的电压。另一方面，在如图2(b)所示的直流/直流转换器的第二模式的充电阶段，其中开关S1～S9建立了第一电荷泵电容C1与第二电荷泵电容C2的并联配置，使其于充电阶段中并联于输入电压Vin与参考电压GND之间，因此得以对第一电荷泵电容C1与第二电荷泵电容C2充电至VC1＝VC2＝Vin。
如欧洲专利申请案EP 1 073 185 A2中所述，第一与第二电荷泵电容C1与C2在充电阶段可以利用图2(a)所示第一模式的串联配置或利用图2(b)所示第二模式的并联配置分别载入Vin/2或Vin。之后，进行图2(c)所示直流/直流转换器的放电阶段，其中开关S1～S9建立了第一电荷泵电容C1与第二电荷泵电容C2的并联配置，使其于放电阶段中并联于输入电压Vin与该输出电压Vout之间，因此得以提供Vout＝Vin+VC1＝Vin+VC2的输出电压，其中VC1＝VC2。因此，当第一电荷泵电容C1与第二电荷泵电容C2在放电阶段前的充电阶段利用第二模式载入Vin时，该直流/直流转换器可提供Vout＝2*Vin的输出电压。而当第一电荷泵电容C1与第二电荷泵电容C2在放电阶段前的充电阶段利用第一模式载入VC1＝VC2＝Vin/2时，直流/直流转换器可提供Vout＝1.5*Vin的输出电压。因此，直流/直流转换器可在增益因子为2或1.5下操作。
如上所述，欧洲专利申请案EP 1 073 185 A2揭示，当利用两个电容并联的第二模式进行充放电时，增益因子为2(忽略损耗)，而当利用两个电容串联的第一模式进行充电并利用两个电容并联的第二模式进行放电时，增益因子为1.5(忽略损耗)，因此，在以第一或第二模式进行充电后选择以第二模式进行放电，则在最大效率下可提供两个增量因子为2.0与1.5。此外可得知利用欧洲专利申请案EP 1 073 185 A2中所述电路也可在最大效率下提供增量因子为3，因为利用两个电容并联的第二模式进行充电并利用两个电容串联的第一模式进行放电时，如图2(d)所示，相关的增益因子为3。
因此，欧洲专利申请案EP 1 073 185 A2中所述的电荷泵式直流/直流转换器可提供具有不同增益因子的多种模式，使得最大效率下的转换器可在多种增量因子下运行。然而最大效率只能利用串或并联的充电以及串或并联的放电而在三种增量因子(忽略损耗)下实现。即使当电容的数目增加时，例如N个全部串联或并联的电容，最大效率也只能在三种增量因子(忽略损耗)下实现，即对应于第一增益因子2、第二增益因子1+1/N、以及第三增益因子1+N。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种改进的电荷泵式直流/直流转换器与相关装置，可提供电荷泵式直流/直流转换器更多不同的增量因子，以达最大效率。
根据本发明提供一种直流/直流转换器，包括：一输入端，用以接收一输入电压；一输出端，用以提供一输出电压；一接地端，用以提供一参考电压；多个电荷泵电容，包括至少第一电荷泵电容、第二电荷泵电容与第三电荷泵电容；以及一开关电路，包括多个开关，其组成可通过选择性导通一部分开关而使所述多个电荷泵电容以混合串/并联模式连接于该输入端与该接地端间或该输入端与该输出端间。
在一实施例中，该直流/直流转换器更包括一控制器，用以控制该开关电路开关的导电模式，以使该直流/直流转换器于多个电荷泵电容连接于该输入端与该接地端间的充电模式以及多个电荷泵电容连接于该输入端与该输出端间的放电模式之间切换，并建立包括于充电阶段或放电阶段中使用串/并联配置的多种模式之一。
根据本发明更提供一具有一直流/直流转换器的装置。除了上述的直流/直流转换器外，该装置更包括一电池与一电路配置，其中该电池用以提供一电池电压作为该直流/直流转换器的该输入电压，而该直流/直流转换器的设置用以提供该输出电压予该电路配置。
根据本发明更提供一种与多个电荷泵电容一起用于一直流/直流转换器中的开关电路。该直流/直流转换器至少包括第一电荷泵电容、第二电荷泵电容与第三电荷泵电容、一用以接收一输入电压的输入端、一用以提供一输出电压的输出端、以及一用以提供一参考电压的接地端，该开关电路包括：第一电路，与该第一电荷泵电容相关，该第一电荷泵电容的一电极可通过第一开关耦合至该输入电压，并通过第二开关耦合至该参考电压，而该第一电荷泵电容的另一电极可通过第三开关耦合至该输入电压，并通过第四开关耦合至该输出电压；第二电路，与该第二电荷泵电容相关，该第二电荷泵电容的一电极可通过第五开关耦合至该输入电压，并通过第六开关耦合至该参考电压，而该第二电荷泵电容的另一电极可通过第七开关耦合至该输入电压，并通过第八开关耦合至该输出电压；第三电路，与该第三电荷泵电容相关，该第三电荷泵电容的一电极可通过第九开关耦合至该输入电压，并通过第十开关耦合至该参考电压，而该第三电荷泵电容的另一电极可通过第十一开关耦合至该输入电压，并通过第十二开关耦合至该输出电压；第一额外开关，可使该第一电荷泵电容的该电极选择性连接到第二电荷泵电容的该另一电极；第二额外开关，可使该第二电荷泵电容的该电极选择性连接到第三电荷泵电容的该另一电极；以及第三额外开关，可使该第一电荷泵电容的该电极选择性连接到第三电荷泵电容的该另一电极。
在一实施例中，该开关电路以以下的方式选择性连接所述多个电荷泵电容：于第一模式中使所有所述多个电荷泵电容串联；于第二模式中使所有所述多个电荷泵电容并联；以及于第三模式中以第一混合串/并联配置连接所述多个电荷泵电容，该第一混合串/并联配置包括所述多个电荷泵电容中的至少两个并联的第一子配置以及该第一子配置与其它电荷泵电容串联的第二子配置；且该开关电路进一步将所述多个电荷泵电容选择性连接于该输入端与该接地端间用以对所述多个电荷泵电容充电，以及选择性连接于该输入端与该输出端间用以使所述多个电荷泵电容放电。
本发明可提供电荷泵式直流/直流转换器更多不同的增量因子，以达最大效率。
附图说明
图1示出一使用两个电荷泵电容的直流/直流转换器；
图2(a)到图2(d)示出图1中的直流/直流转换器的第一与第二模式；
图3示出本发明的一装置；
图4示出本发明的另一装置；
图5(a)与图5(b)示出本发明一使用三个电荷泵电容的直流/直流转换器的实施例；
图6(a)到图6(i)示出图5(a)与图5(b)中的直流/直流转换器的各种模式的充电阶段；
图7(a)到图7(g)示出图5(a)与图5(b)中的直流/直流转换器的各种模式的放电阶段；
图8示出本发明另一使用三个电荷泵电容的直流/直流转换器的实施例；
图9(a)到图9(c)示出图8中的直流/直流转换器的各种模式的充电阶段；
图10(a)到图10(c)示出图8中的直流/直流转换器的各种模式的放电阶段；
图11(a)与图11(b)示出相对于输入电压下，提供例如固定输出电压的直流/直流转换器间的比较；
图12与图13示出本发明使用四个电荷泵电容的直流/直流转换器的实施例；
图14示出本发明图12或图13的直流/直流转换器的充电阶段例；以及
图15与图16示出本发明图12或图13的直流/直流转换器的放电阶段例。
上述附图中的附图标记说明如下：
C1，C2，C3，CC1，CC2，CC3，CC4，C1a，C2a，C3a，C1b，C2b，C3b电荷泵电容
S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，S11，S12，S13，S14，S21，S22，S23，S24，S31，S32，S33，S34，S41，S42，S43，S44，SX1，SX2，SX3，SXX，SXX2，SXX3开关
Vin输入电压            Vout输出电压
GND参考电压            1，2装置
10直流/直流转换器      12电池
14显示器               16发光二极管驱动器
18发光二极管电路       20开关电路
22控制器               100第一实线曲线
110第二实线曲线        200第一虚线曲线
210第二虚线曲线        310虚线-点曲线
具体实施方式
图3示出本发明的装置1。
装置1包括一直流/直流转换器10，连接至一电池12，用以接收电池12所供应的输入电压Vin，并连接至接地端GND以及一电路14，以供应一输出电压Vout予电路14。在图1所示的实例中，电路14包括一显示器，电池12所供应的输入电压Vin例如可为2.0-4.0V，并可能在使用中产生变化，例如电池12可能会因使用而消耗，而显示器14所需的输出电压Vout可为5.5V或6.0V。直流/直流转换器10通过调整其增量因子，特别是调整增益因子与电阻负载，而将输出电压Vout控制在一基本上固定的电平。调整电阻负载例如可对应至调整直流/直流转换器10中一晶体管(图3中未示出)的开启电阻值。装置1可另外包括图3所示元件以外的其它元件。举例而言，装置1可为一移动电话，其另外包括如与直流/直流转换器10信号连接的装置控制器、显示器、收音机、键盘、麦克风、以及扩音器等。
图4示出本发明的另一装置2。图4的装置2包括与图3的装置1类似的元件，但图4所示的直流/直流转换器10连接至一包括发光二极管(LED)驱动器16的电路，以供应一输出电压Vout予发光二极管驱动器16。该直流/直流转换器10可将输出电压Vout控制在发光二极管驱动器16所需的电平。发光二极管驱动器16连接至包括一个或多个发光二极管的发光二极管电路18，并使发光二极管电路18在一LED电流下运行。装置2可另外包括图4所示元件以外的其它元件。举例而言，装置2可为一手电筒，其另外包括如壳体内的使用者开关，以因应使用者的操作而开启或关闭该手电筒。装置2可并入图3的装置1中，其中发光二极管电路18可用作一显示器背光元件的光源，用以照亮显示器14，也可用作键盘背光元件的光源，用以照亮键盘。
装置1与装置2，举例而言，可为一移动电话、数字相机、个人数字助理(PDA)、笔记本电脑、台式电脑、电视、车用导航装置、全球定位系统(GPS)、航空电子用显示器、便携式DVD播放器、或者任何其它具有电池、直流/直流转换器与显示器的适合装置。
图5(a)与图5(b)示出根据本发明第一实施例，使用三个电荷泵电容的直流/直流转换器。
图5(a)示出直流/直流转换器10。直流/直流转换器10将一输入电压Vin转换为一输出电压Vout，两者的值相对于一参考电压GND，也就是接地电压，加以测量。直流/直流转换器10具有第一电荷泵电容C1，其具有第一电极C1a与第二电极C1b，以及第二电荷泵电容C2，其具有第一电极C2a与第二电极C2b，以及第三电荷泵电容C3，其具有第一电极C3a与第二电极C3b。
如图5(b)所示，直流/直流转换器10的开关电路20包括与第一电荷泵电容C1相关的第一电路、与第二电荷泵电容C2相关的第二电路、以及与第三电荷泵电容C3相关的第三电路。开关电路20包括四个与第一电荷泵电容C1相关的开关S11，S12，S13，S14，形成第一电路；四个与第二电荷泵电容C2相关的开关S21，S22，S23，S24，形成第二电路；以及四个与第三电荷泵电容C3相关的开关S31，S32，S33，S34，形成第三电路；所有这些开关受控制器22所控制。开关S11，S12，S13，S14，S21，S22，S23，S24与第一额外开关SX1的功能与图1的开关S1～S9类似。开关S31，S32，S33，S34的功能与S21，S22，S23，S24类似。通过第二额外开关SX2可使第二电荷泵电容C2与第三电荷泵电容C3串联。
图6(a)示出直流/直流转换器10的第一模式的充电阶段，其中开关S11，S12，S13，S14，S21，S22，S23，S24，S31，S32，S33，S34，SX1与SX2通过关上(导通)与第三电荷泵电容C3相关的第三开关S33，使第三电荷泵电容C3的第一电极C3a连接至输入电压Vin；关上(导通)第二额外开关SX2，使第三电荷泵电容C3的第二电极C3b连接至第二电荷泵电容C2的第一电极C2a；关上(导通)第一额外开关SX1，使第二电荷泵电容C2的第二电极C2b连接至第一电荷泵电容C1的第一电极C1a；关上(导通)与第一电荷泵电容C1相关的第二开关S12，使第一电荷泵电容C1的第二电极C1b连接至接地端GND；以及保持其它开关在开启(不导通)状态而使电荷泵电容C1，C2，C3于充电阶段中串联于输入电压Vin与参考电压GND之间，因此得以对每一电荷泵电容C1，C2，C3充电至VC1＝VC2＝VC3＝Vin/3，其中VC1代表该第一电荷泵电容C1的电压，VC2代表该第二电荷泵电容C2的电压，而VC3代表该第三电荷泵电容C3的电压。
图6(b)所示出的为直流/直流转换器10的第二模式的充电阶段，其中开关S11，S12，S13，S14，S21，S22，S23，S24，S31，S32，S33，S34，SX1与SX2通过关上(导通)与第三电荷泵电容C3相关的第三与第二开关S33，S32、关上(导通)与第二电荷泵电容C2相关的第三与第二开关S23，S22、并关上(导通)与第一电荷泵电容C1相关的第三与第二开关S13，S12，而其它开关保持开启(不导通)状态，使荷泵电容C1，C2，C3于充电阶段中并联于输入电压Vin与参考电压GND之间，因此得以对每一电荷泵电容C1，C2，C3充电至VC1＝VC2＝VC3＝Vin。
因此第一、第二、第三电荷泵电容C1，C2，C3可利用图6(a)的第一模式的串联配置，或利用图6(b)的第二模式的并联配置在充电阶段载入Vin/3或Vin。
图7(a)所示出者为直流/直流转换器10的第一模式的放电阶段，其中开关S11，S12，S13，S14，S21，S22，S23，S24，S31，S32，S33，S34，SX1与SX2通过关上(导通)与第三电荷泵电容C3相关的第四开关S34、关上(导通)第二额外开关SX2、关上(导通)第一额外开关SX1、并关上(导通)与第一电荷泵电容C1相关的第一开关S11，而其它开关保持开启(不导通)状态，使电荷泵电容C1，C2，C3于放电阶段中串联于该输入电压Vin与该输出电压Vout之间，因此得以提供输出电压Vout＝Vin+VC1+VC2+VC3。因此当该电荷泵电容C1，C2，C3在放电阶段前的充电阶段利用第二模式载入Vin时，直流/直流转换器10可提供Vout＝4*Vin，而当电荷泵电容C1，C2，C3在放电阶段前的充电阶段利用第一模式载入Vin/3时，直流/直流转换器10可提供Vout＝2*Vin。
图7(b)所示出者为直流/直流转换器10的第二模式的放电阶段，其中S11，S12，S13，S14，S21，S22，S23，S24，S31，S32，S33，S34，SX1与SX2通过关上(导通)与第三电荷泵电容C3相关的第四与第一开关S34，S31、关上(导通)与第二电荷泵电容C2相关的第四与第一开关S24，S21、并关上(导通)与第一电荷泵电容C1相关的第四与第一开关S14，S11，而其它开关保持开启(不导通)状态，使电荷泵电容C1，C2，C3于放电阶段中并联于输入电压Vin与输出电压Vout之间，因此得以提供输出电压Vout＝Vin+VC1＝Vin+VC2＝Vin+VC3，其中VC1，VC2与VC3相等。因此当电荷泵电容C1，C2，C3在放电阶段前的充电阶段利用第二模式载入Vin时，直流/直流转换器10可提供Vout＝2*Vin。而当电荷泵电容C1，C2，C3在放电阶段前的充电阶段利用第一模式载入VC1＝VC2＝VC3＝Vin/3时，直流/直流转换器10可提供Vout＝1.333*Vin。
因此，图5(a)与图5(b)中的直流/直流转换器10可通过选择如图6(a)与图6(b)中所示的第一模式与第二模式的充电模式以及如图7(a)与图7(b)中所示的第一模式与第二模式的放电模式，并利用所选择的充电模式进行充电以及利用所选择的放电模式进行放电，而在增益因子为4，2或1.333下操作。
事实上，利用本发明图5(b)的配置，并在充放电阶段通过变化切换开关，可提供除了图6(a)～(b)以外更多种充电模式以及除了图7(a)～(b)以外更多种放电模式。例如图6(c)～(g)所示为略过电荷泵电容C1，C2，C3之一，而于充电模式中以另两个电荷泵电容串/并联于输入电压Vin与参考电压GND之间；而图7(c)～(g)所示为略过电荷泵电容C1，C2，C3之一，而于放电模式中以另两个电荷泵电容串/并联于输入电压Vin与输出电压Vout之间。为实现此等连接关系所进行相关开关的开闭为本领域技术人员可根据上述所推知，于此不再赘述。
此外，利用本发明图5(b)的配置，并通过变化切换开关，还可进一步在充电阶段提供串/并联混合模式，如图6(h)～(i)所示。
图6(h)所显示者为使用本发明一混合串并联配置的实施例所进行的充电阶段。该配置包括两个电荷泵电容C1，C2串联所形成的一子配置，以及该子配置再与电荷泵电容C3并联于输入电压Vin与参考电压GND之间所形成的另一子配置，其可通过关闭(导通)图5(b)中的开关S32，S33，S12，SX1，S23而实现。如此一来，两个电荷泵电容C1，C2各可充电至VC1＝VC2＝1/2*Vin，而电荷泵电容C3可充电至VC3＝Vin。
图6(i)所显示为使用本发明另一混合串并联配置的实施例所进行的充电阶段。该配置包括两个电荷泵电容C2，C3串联所形成的一子配置，以及该子配置再与电荷泵电容C1并联于输入电压Vin与参考电压GND之间所形成的另一子配置，其可通过关闭(导通)图5(b)中的开关S12，S13，S22，SX2，S33而实现。如此一来，两个电荷泵电容C1，C2各可充电至VC2＝VC3＝1/2*Vin，而电荷泵电容C3可充电至VC1＝Vin。
为了提供更多种充放电阶段的串/并联模式，本发明的第二实施例在第一电荷泵电容C1的第一电极C1a与第三电荷泵电容C3的第二电极C3b间提供一第三额外开关SXX，如图8所示。第三额外开关SXX因而可使第一电荷泵电容C1与第三电荷泵电容C3串联，并绕过第二电荷泵电容C2。图8另外包括与图5(b)相同的开关与电荷泵电容配置。
由于加入第三额外开关SXX，可在充电阶段及/或放电阶段提供新的模式，并可提供充电阶段的模式与放电阶段的模式的新组合，以提供新的增益因子，并因而提供最大效率下的新的增量因子。
图9(a)～(c)与图10(a)～(c)分别示出出图8的配置可提供的其它充放电阶段模式的例子。
图9(a)类似图6(c)与图6(d)，示出从三个电荷泵电容C1，C2，C3选择两个电荷泵电容，串联于输入电压Vin与参考电压GND之间。因此两个电荷泵电容各充电至VC＝1/2*Vin。例如，在图9(a)的实例中，电荷泵电容C1，C3可充电至VC1＝VC3＝1/2*Vin，而电荷泵电容C2未使用。
图9(b)所示为使用本发明另一混合串并联配置的实施例所进行的充电阶段。该配置包括两个电荷泵电容C1，C2并联所形成的一子配置，以及该子配置再与电荷泵电容C3串联于输入电压Vin与参考电压GND之间所形成的另一子配置，其可通过关闭(导通)图5(b)中的开关S33，SX2，S22，SXX，S12而实现。如此一来，两个电荷泵电容C1，C2各可充电至VC1＝VC2＝1/3*Vin，而电荷泵电容C3可充电至VC3＝2/3*Vin。
图9(c)所示为使用本发明又一混合串并联配置的实施例所进行的充电阶段。该配置包括两个电荷泵电容C2，C3并联所形成的一子配置，以及该子配置再与电荷泵电容C1串联于输入电压Vin与参考电压GND之间所形成的另一子配置，其可通过导通图8中的开关S12，SX1，S23，SXX，S33而实现。在此模式下，电荷泵电容C2，C3可充电至VC2＝VC3＝1/3*Vin，而电荷泵电容C1可充电至VC1＝2/3*Vin。
较佳(但非必要)所有在充电阶段中充电的电荷泵电容都在放电阶段中被使用，因为其具有所有载入电荷均被转移至输出端的优点，可以得到具有较低输出阻抗的较高效率转换器。
例如，图7(a)示出第一模式的放电阶段。电荷泵电容C1，C2，C3串联于输入电压Vin与输出电压Vout之间。因此电荷泵电容C1，C2，C3放电以提供输出电压Vout＝Vin+VC1+VC2+VC3，换言之：
当根据图6(a)放电时，Vout＝2*Vin；
当根据图6(b)充电时，Vout＝4*Vin；
当根据图9(b)或(c)充电时，
Figure GSA00000068440900111
或
当根据图6(h)或(i)充电时，Vout＝3*Vin。
图7(b)示出第二模式的放电阶段。电荷泵电容C1，C2，C3并联于输入电压Vin与输出电压Vout之间。当所有三个电荷泵电容C1，C2，C3均已充电至相同电压时，即VC1＝VC2＝VC3，可使用第二模式的放电阶段。因此电荷泵电容C1，C2，C3放电以提供输出电压Vout＝Vin+VC1，换言之：
当根据图6(a)充电时，
Figure GSA00000068440900121
或
当根据图6(b)充电时，Vout＝2*Vin。
根据图6(b)充电后根据图7(b)使用第二模式放电，其中增益因子为2，会比根据图6(a)充电后根据图7(b)使用第二模式放电有利，因为根据图6(a)充电时充电的有效电容会降低。
图7(c)与(d)示出两个电荷泵电容串联于输入电压Vin与输出电压Vout之间。因此该等电荷泵电容放电以提供输出电压Vout＝Vin+2*VC，换言之：
当以串联模式充电时，Vout＝2*Vin；或
当以并联模式充电时，Vout＝3*Vin。
图7(e)到(g)示出两个电荷泵电容并联于该输入电压Vin与该输出电压Vout之间。因此该等电荷泵电容放电以提供输出电压Vout＝Vin+VC，换言之：
当以串联模式充电时，Vout＝1.5*Vin；或
当以并联模式充电时，Vout＝2*Vin。
图10(a)类似图7(c)与(d)，所示为两个电荷泵电容串联于输入电压Vin与输出电压Vout之间。例如，在根据图9(a)或图6(g)在充电阶段对电荷泵电容C1，C3充电之后于放电模式中使用电荷泵电容C1，C3，因此电荷泵电容C1，C3在放电阶段所提供的输出电压Vout＝Vin+2*VC，也就是：
当根据图9(a)充电时，Vout＝2*Vin；或
当根据图6(g)充电时，Vout＝3*Vin。
图10(b)所示为根据本发明第三模式的一实施例，利用包括第一子配置与第二子配置的第一混合串/并联配置的一实施例所进行的放电阶段，其中电荷泵电容C1，C2并联形成该第一子配置，电荷泵电容C3形成该第二子配置并与该第一子配置串联于该输入电压Vin与该输出电压Vout之间，其可通过关闭(导通)图8中的开关S34，SX2，S21，SXX，S11而实现。此实施例的放电阶段可于电荷泵电容C1，C2已充电到相同的电压VC1＝VC2时使用。而电荷泵电容C1，C2，C3在放电阶段所提供的输出电压Vout＝Vin+VC1+VC3，也就是：
当根据图9(b)充电时，Vout＝2*Vin；或
当根据图6(h)充电时，Vout＝2.5*Vin。
图10(c)所示为根据本发明第三模式的另一实施例，利用包括第一子配置与第二子配置的第一混合串/并联配置的另一实施例所进行的放电阶段，其中电荷泵电容C2，C3并联形成该第一子配置，电荷泵电容C1形成该第二子配置并与该第一子配置串联于该输入电压Vin与该输出电压Vout之间，其可通过关闭(导通)图8中的开关S11，SX1，S24，SXX，S34而实现。此实施例的放电阶段可于电荷泵电容C2，C3已充电到相同的电压VC2＝VC3时使用。而电荷泵电容C1，C2，C3在放电阶段所提供的输出电压Vout＝Vin+VC1+VC3，也就是：
当根据图6(a)充电时，
Figure GSA00000068440900131
当根据图6(b)充电时，Vout＝3*Vin；
当根据图9(c)充电时，Vout＝2*Vin；或
当根据图6(i)充电时，Vout＝2.5*Vin。
由上述例子可知，利用如图8的配置搭配如图6(a)～(i)与图9(a)～(c)的不同充电模式与如图7(a)～(g)与图10(a)～(c)的不同放电模式加以选用，可使本发明的直流/直流转换器于4，3，2.5，2.333，2，1.6667或1.3333等不同增益因子下操作。
图11(a)与图11(b)为一提供固定输出电压(如6.0V)的直流/直流转换器的效率相对于输入电压的函数比较图。其中，图11(a)与图11(b)的横轴对应于电池输送到该直流/直流转换器的输入电压Vin。图11(a)的纵轴对应于效率，以η表示，而图11(b)的纵轴对应于增益因子与增量因子的值。
图11(b)的虚线-点曲线310对应于横轴所示输入电压Vin下欲得到6.0V输出电压所需的增量因子。
图11(a)的第一实线曲线100对应于使用两个电荷泵电容串联与并联模式进行充放电的直流/直流转换器的效率，其增益因子如上所述为3，2以及1.5。此相对应的增益因子见于图11(b)的第二实线曲线110。
图11(a)的第一虚线曲线200对应于根据本发明使用三个电荷泵电容串联、并联或者串/并联混合模式进行充放电的直流/直流转换器的效率，其增益因子如上所述为3，2.5，2，
Figure GSA00000068440900141
以及
Figure GSA00000068440900142
此相对应的增益因子见于图11(b)的第二虚线曲线210。
当比较第二虚线曲线200与第一实线曲线100时可得知，若直流/直流转换器只使用两个电荷泵电容，输入电压为2.9V左右，效率可能降至70％以下，而输入电压为3.9V左右，效率可能降至80％以下，若使用本发明包括三个电荷泵电容的直流/直流转换器，则效率均可保持在80％以上。
同样地，当比较第二虚线曲线210与虚线-点曲线310的差异以及第二实线曲线110与虚线-点曲线310的差异时可得知，本发明的直流/直流转换器与公知直流/直流转换器相较之下，增益因子与增量因子在平均值上以及最大值上的差异较小。
图12与图13所示出的直流/直流转换器包括分别与四个电荷泵电容CC1，CC2，CC3与CC4的第一、第二、第三与第四电路，每一电路均有四个相关的开关，如所示的S11，S12，S13，S14；S21，S22，S23，S24；S31，S32，S33，S34；以及S41，S42，S43，S44。开关的配置与图8所示与三个电荷泵电容C1，C2，C3相关的电路配置S11，S12，S13，S14，S21，S22，S23，S24，S31，S32，S33，S34类似。本实施例的开关单元更包括额外开关SX1，SX2与SX3，用以串联所有电荷泵电容CC1，CC2，CC3与CC4，其配置与图8所示具有三个电荷泵电容C1，C2，C3的配置中的SX1，SX2类似。
在图12与图13中另有额外开关SXX与SXX2，其中开关SXX用以建立第一电荷泵电容CC1与第三电荷泵电容CC3的串联，并绕过第二电荷泵电容CC2，其配置与图8所示的开关SXX类似；而开关SXX2用以建立第二电荷泵电容CC2与第四电荷泵电容CC4的串联，并绕过第三电荷泵电容CC3。在图13中另加入额外开关SXX3，用以建立第一电荷泵电容CC1与第四电荷泵电容CC4的串联，并绕过第二电荷泵电容CC2与第三电荷泵电容CC3。
图12与图13的配置可提供更多种增益因子，对应出更多具有最大效率的增量因子，以进一步增加效率。
举图14所示模式的充电阶段为例，第二电荷泵电容CC2与第三电荷泵电容CC3并联形成第一子配置，第一子配置再与一包括第一电荷泵电容CC1及第四电荷泵电容CC4的第二子配置串联于输入电压Vin与参考电压GND之间，形成第一混合并联-串联的配置。如此可对第一电荷泵电容CC1及第四电荷泵电容CC4充电至VCC1＝VCC4＝0.4*Vin；并对第二电荷泵电容CC2与第三电荷泵电容CC3充电至VCC2＝VCC3＝0.2*Vin，其中VCC1，VCC2，VCC3与VCC4代表分别载入电荷泵电容CC1，CC2，CC3与CC4中的电压。
在另一变化例中，第一电荷泵电容CC1、第二电荷泵电容CC2与第三电荷泵电容CC3并联形成另一第一子配置，第一子配置再与第四电荷泵电容CC4所形成的第二子配置串联，以提供另一混合并联-串联配置的实施例。如此可对第一、第二与第三电荷泵电容CC1，CC2，CC3充电至VCC1＝VCC2＝VCC3＝0.25*Vin；并对第四电荷泵电容CC4充电至VCC4＝0.75*Vin。
举图15所示模式的放电阶段为例。图15显示第二电荷泵电容CC2与第三电荷泵电容CC3串联的子配置。该子配置再与第一电荷泵电容CC1及第四电荷泵电容CC4并联于输入电压Vin与输出电压Vout之间。当使用图14的模式进行充电之后，在放电阶段使用本实施例的模式，可在放电阶段提供相对应的输出电压Vout＝Vin+VCC1＝1.4*Vin。
再举图16所示模式的放电阶段为例。图16显示第二电荷泵电容CC2与第一电荷泵电容CC1串联的第一子配置，以及第四电荷泵电容CC4与第三电荷泵电容CC3串联的第二子配置。第一子配置与第二子配置再并联于输入电压Vin与输出电压Vout之间。当使用图14的模式进行充电之后，在放电阶段使用本实施例的模式，可提供相对应的输出电压Vout＝Vin+VCC1+VCC2＝1.6*Vin。
应注意为上述实施例用以示出而非限制本发明，本领域技术人员可在所附权利要求所涵盖的范围内设计出许多变形。例如，虽然以上的例子中举了多个基本上电容值相同的电容器为例，但这些电容器的电容值也可以不同，而得到更多不同值的增量因子。又如，在所附权利要求所涵盖的范围内，也可使用与上述不同型式的开关。开关S11，S12，S13，S14，S21，S22，S23，S24，S31，S32，S33，S34，S41，S42，S43，S44，SX1，SX2，SX3，SXX，SXX2与SXX3可为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，也可为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。所述开关可为不连续开关或整合在单一集成电路中的多个开关。另外，在说明书中的”和/或”一词代表一个或多个所列相关项目的所有组合。
以上说明了实施本发明的最佳实施方式，但本发明不限于所述的最佳实施方式，可在无损于本发明主旨的范围内进行变。

Claims (17)

1.一种直流/直流转换器，包括：
一输入端，用以接收一输入电压；
一输出端，用以提供一输出电压；
一接地端，用以提供一参考电压；
多个电荷泵电容，包括至少第一电荷泵电容、第二电荷泵电容与第三电荷泵电容；以及
一开关电路，包括多个开关，其组成可通过选择性导通一部分开关而使所述多个电荷泵电容以混合串/并联模式连接于该输入端与该接地端间或该输入端与该输出端间。
2.如权利要求1的直流/直流转换器，更包括一控制器，用以控制该开关电路开关的导电模式，以使该直流/直流转换器于所述多个电荷泵电容连接于该输入端与该接地端间的充电模式以及多个该电荷泵电容连接于该输入端与该输出端间的放电模式之间切换，并建立包括于充电阶段或放电阶段中使用串/并联配置的多种模式之一。
3.如权利要求2的直流/直流转换器，其中该多种模式包括一些或所有所述多个电荷泵电容的基本串联配置。
4.如权利要求2的直流/直流转换器，其中该多种模式包括一些或所有所述多个电荷泵电容的基本并联配置。
5.如权利要求2的直流/直流转换器，其中该控制器控制所述多个开关的组态，使其在充电阶段与放电阶段自该多种模式中选择相同或不同的配置。
6.如权利要求1的直流/直流转换器，其中该混合串/并联配置包括所述多个电荷泵电容中的至少两个并联的第一子配置以及该第一子配置与其它电荷泵电容串联的第二子配置。
7.如权利要求1的直流/直流转换器，其中该混合串/并联配置包括所述多个电荷泵电容中的至少两个串联的第一子配置以及该第一子配置与其它电荷泵电容并联的第二子配置。
8.如权利要求1的直流/直流转换器，其中该开关电路包括：
第一电路，与该第一电荷泵电容相关，该第一电荷泵电容的一电极可通过第一开关耦合至该输入电压，并通过第二开关耦合至该参考电压，而该第一电荷泵电容的另一电极可通过第三开关耦合至该输入电压，并通过第四开关耦合至该输出电压；
第二电路，与该第二电荷泵电容相关，该第二电荷泵电容的一电极可通过第五开关耦合至该输入电压，并通过第六开关耦合至该参考电压，而该第二电荷泵电容的另一电极可通过第七开关耦合至该输入电压，并通过第八开关耦合至该输出电压；
第三电路，与该第三电荷泵电容相关，该第三电荷泵电容的一电极可通过第九开关耦合至该输入电压，并通过第十开关耦合至该参考电压，而该第三电荷泵电容的另一电极可通过第十一开关耦合至该输入电压，并通过第十二开关耦合至该输出电压；
第一额外开关，可使该第一电荷泵电容的该电极选择性连接到第二电荷泵电容的该另一电极；以及
第二额外开关，可使该第二电荷泵电容的该电极选择性连接到第三电荷泵电容的该另一电极。
9.如权利要求8的直流/直流转换器，其中该开关电路更包括第三额外开关，可使该第一电荷泵电容的该电极选择性连接到第三电荷泵电容的该另一电极。
10.如权利要求8的直流/直流转换器，其中该开关电路更包括：
第四电路，与该第四电荷泵电容相关，该第四电荷泵电容的一电极可通过第十三开关耦合至该输入电压，并通过第十四开关耦合至该参考电压，而该第四电荷泵电容的另一电极可通过第十五开关耦合至该输入电压，并通过第十六开关耦合至该输出电压；以及
第四额外开关，可使该第三电荷泵电容的该电极选择性连接到第四电荷泵电容的该另一电极。
11.如权利要求10的直流/直流转换器，其中该开关电路更包括第五额外开关，可使该第二电荷泵电容的该电极选择性连接到第四电荷泵电容的该另一电极。
12.如权利要求11的直流/直流转换器，其中该开关电路更包括第六额外开关，可使该第一电荷泵电容的该电极选择性连接到第四电荷泵电容的该另一电极。
13.一种包括权利要求1所述直流/直流转换器的装置，更包括一电池与一电路配置，其中该电池用以提供一电池电压作为该直流/直流转换器的该输入电压，而该直流/直流转换器的设置用以提供该输出电压予该电路配置。
14.如权利要求13的装置，其中该电路配置至少与一可显示图像的显示装置相关连。
15.如权利要求13的装置，选自移动电话、数字相机、个人数字助理、笔记本电脑、台式电脑、电视、车用导航装置、全球定位系统、航空电子用显示器、便携式DVD播放器之一。
16.一开关电路，与多个电荷泵电容一起用于一直流/直流转换器中，该直流/直流转换器至少包括第一电荷泵电容、第二电荷泵电容与第三电荷泵电容、一用以接收一输入电压的输入端、一用以提供一输出电压的输出端、以及一用以提供一参考电压的接地端，该开关电路包括：
第一电路，与该第一电荷泵电容相关，该第一电荷泵电容的一电极可通过第一开关耦合至该输入电压，并通过第二开关耦合至该参考电压，而该第一电荷泵电容的另一电极可通过第三开关耦合至该输入电压，并通过第四开关耦合至该输出电压；
第二电路，与该第二电荷泵电容相关，该第二电荷泵电容的一电极可通过第五开关耦合至该输入电压，并通过第六开关耦合至该参考电压，而该第二电荷泵电容的另一电极可通过第七开关耦合至该输入电压，并通过第八开关耦合至该输出电压；
第三电路，与该第三电荷泵电容相关，该第三电荷泵电容的一电极可通过第九开关耦合至该输入电压，并通过第十开关耦合至该参考电压，而该第三电荷泵电容的另一电极可通过第十一开关耦合至该输入电压，并通过第十二开关耦合至该输出电压；
第一额外开关，可使该第一电荷泵电容的该电极选择性连接到第二电荷泵电容的该另一电极；
第二额外开关，可使该第二电荷泵电容的该电极选择性连接到第三电荷泵电容的该另一电极；以及
第三额外开关，可使该第一电荷泵电容的该电极选择性连接到第三电荷泵电容的该另一电极。
17.如权利要求16的开关电路，其中该开关电路以以下的方式选择性连接所述多个电荷泵电容：
于第一模式中使所有所述多个电荷泵电容串联；
于第二模式中使所有所述多个电荷泵电容并联；以及
于第三模式中以第一混合串/并联配置连接所述多个电荷泵电容，该第一混合串/并联配置包括所述多个电荷泵电容中的至少两个并联的第一子配置以及该第一子配置与其它电荷泵电容串联的第二子配置；
且该开关电路进一步将所述多个电荷泵电容选择性连接于该输入端与该接地端间用以对所述多个电荷泵电容充电，以及选择性连接于该输入端与该输出端间用以使所述多个电荷泵电容放电。
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