专利名称：直流电源转换装置的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种直流电源转换装置，尤其有关于利用电容设计的直流电源转换
装置。
背景技术：
任何电子装置的运作都需有电源的供应，电子装置中通常包含有不同的组件，每 一组件所需的操作电压可能都不同，并且应节能的概念，在不同情况下(如待机状态)，可 能会使用到不同的操作电压。因此，在电子装置中，需要通过直流对直流电压转换装置，达 到电压电平的调节(升压或降压)，并使其稳定在所设定的电压数值。依据不同的电源需 求，可延伸出许多不同型态的直流对直流电压转换器，但其皆源自于降压式转换器(Buck/ St印DownConverter)及升压式转换器(Boost/St印Up Converter)。顾名思义，降压式转 换器可将输入端的直流电压下降至一预设电压电平，而升压式转换器则可提升输入端的直 流电压。 对于电子装置而言，可提供快速稳定及节能的电源供应使电子装置正确运作是非 常重要的。
发明内容
因此，本发明的目的之一即在于提供一种直流电源转换装置，以解决上述的问题。
根据本发明的实施例，其揭露一种直流电源转换装置，用以将输入直流电源转换 为输出直流电源，该电源转换装置包含有输入直流电源模块，用以提供该输入直流电源； 储电单元，用以储存该输入直流电源的能量，并提供该输出直流电源至负载；切换开关，耦 接到该输入直流电源模块、该储电单元及该负载，用来根据切换频率，将该储电单元连接至 该输入直流电源模块或该负载；以及频率切换模块，耦接至该切换开关及该负载，用来依据 该输出直流电源的变化，控制切换频率。
图1为本发明的直流电源转换装置的一实施例的示意图。 图2为本发明的一磁性电容的结构示意图。 图3为本发明的磁性电容与其它公知能量储存媒介的比较图。 图4为图2所示的第一磁性电极的一实施例的结构示意图。 图5为本发明的输入直流电源模块与储电单元的一实施例的示意图。 图6为本发明的直流电源转换装置的另一实施例的示意图。主要组件符号说明
10 直流电源转换装置 102 、602 输入直流电源模块 104、604 储电单元
3
106、606切换开关108、608频率切换模块110、610负载200磁性电容210、220磁性电极215、225、413、417磁偶极230介电层231、232界面412、416磁性层414隔离层612电流检测单元614电压检测单元616控制单元
具体实施例方式
在本说明书及所附的权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领 域中的普通技术人员应当可以理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。 本说明书及所附的权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功 能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及所附的权利要求当中所提及的「包含」为 一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」 一词在此为包含任何直接 及间接的电连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接到第二装置，则代表该第一装置可直 接电连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电连接至该第二装置。
请参考图1，图1为本发明直流电源转换装置10的一实施例的功能方块示意图。直 流电源转换装置10用以将输入直流电源Pi转换为输出直流电源Po，以满足负载110的电 力需求。直流电源转换装置10包含有输入直流电源模块102、储电单元104、切换开关106 及频率切换模块108。输入直流电源模块102用以提供输入直流电源Pi。储电单元104用 以储存输入直流电源Pi的能量，并提供输出直流电源Po至负载110。切换开关106耦接 到输入直流电源模块102、储电单元104及负载110，用来根据切换频率fs，将储电单元104 连接至输入直流电源模块102或负载110。频率切换模块108耦接到切换开关106及负载 llO，用来依据输出直流电源Po的变化，控制切换频率fs。以下将对直流电源转换装置10 做进一步的说明，然而，此仅作为示例说明，而并非为本发明的限制。 请继续参考图l，在本实施例中，输入直流电源模块102提供输入直流电源Pi。优 选地，输入直流电源模块102可由磁性电容(magnetic c即acitor)模块实现，该磁性电容 模块包含有多个磁性电容且以电位能的形式来储存电源能量。切换开关106可根据切换频 率fs，将储电单元104连接至输入直流电源模块102或负载110。优选地，当切换开关106 将储电单元104电性连接至输入直流电源模块102时，储电单元104会储存输入直流电源 Pi的能量；相对地，当切换开关106将储电单元104电性连接至负载110时，储电单元104 提供输出直流电源Po至负载110。经由切换开关106的切换动作，使得储电单元104可依 需求，提供负载110所需的输出直流电源Po，而达到电源转换装置10转换操作电压的目的。
4优选地，储电单元104可由磁性电容模块实现，该磁性电容模块包含有多个磁性电容且以 电位能的形式来储存电源能量。以下将对针对磁性电容做进一步的说明。
请参考图2，图2为本发明的磁性电容200的结构示意图。如图2所示，磁性电容 200包含有第一磁性电极210、第二磁性电极220以及位于其间的介电层230。第一磁性电 极210与第二磁性电极220均由具有磁性的导电材料所构成，包含有磁性导电材质(例如 稀土元素)，并通过适当的外加电场对第一、第二磁性电极210、220进行磁化，使第一、第二 磁性电极210、220内分别形成磁偶极(magnetic dipole) 215、225，磁偶极215、225能在磁 性电容200内部形成磁场，该磁场可影响带电粒子的移动，从而抑制磁性电容200的漏电 流；介电层230由介电材质(例如氧化钛(Ti03)、氧化钡钛(BaTi03))或半导体材料(例 如氧化硅(silicon oxide))所构成，用来分隔第一磁性电极210与第二磁性电极220，以 便在第一磁性电极210与第二磁性电极220处累积电荷而储存电位能。以下将针对磁性电 容的操作原理作进一步说明。 磁性电容200主要利用整齐排列的磁偶极215、225来形成磁场，使第一磁性电极 210与第二磁性电极220内部所储存的电子各自朝自旋方向转动而整齐排列，故可储存大 量的电荷，进而大幅增加能量储存密度。请注意，图2所示的磁偶极215、225分别指向相反 的方向，然而，这并非是本发明的限制，实际上，磁偶极215与225的方向并无限定，举例来 说，磁偶极215与225也可指向一相同方向。 公知电容的电容值C由电容的面积A、介电层的介电常数e。、、及厚度d决定， 请参考式1 : C = (式1) 相较于公知电容，磁性电容200相当于通过磁场的作用来改变介电层230的介电 常数以提升其电容值；此外，在本发明的一实施例中，第一磁性电极210与介电层230间的 第一界面231以及第二磁性电极220与介电层230间的第二界面232均为不平坦的表面， 因而通过增加表面积A来进一步提升磁性电容200的电容值。 请参考图3，图3为本发明的磁性电容与其它公知能量储存媒介的比较图。由图3 可知，相较于传统电容与超级电容，磁性电容具有相当高的能量储存密度。
请参考图4，图4为图2所示的第一磁性电极210的一实施例的结构示意图。如图 4所示，第一磁性电极210为三层结构，包含有第一磁性层412、隔离层414以及第二磁性层 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 具有磁性的导电材料，并通过不同的外加电场对第一、第二磁性层412、416进行磁化，使其 第一、第二磁性层412、416内分别形成磁偶极413、417，磁偶极413、417 —起构成第一磁性 电极210的磁偶极215。在本发明的优选实施例中，磁偶极413、417分别指向相反的方向 (如图4所示)，以抑制磁性电容200的漏电流。 值得注意的是，第一磁性电极210的结构并不限于前述的三层结构(第一、第二磁 性层412、416与一隔离层414)，在本发明其它实施例中，第一磁性电极210可以是多层结 构，更明确地说，第一磁性电极210可由多个磁性层与多个隔离层不断交错堆叠而组成，再 通过调整各磁性层的磁偶极方向来抑制磁性电容200的漏电流，甚至达到几乎无漏电流的 效果，而该设计变化也隶属于本发明的范畴。此外，第二磁性电极220的结构可采用上述任何第一磁性电极210的结构，因此为求说明书内容简洁起见，第二磁性电极220的结构的详 细说明便在此省略。 请参阅图5，图5为本发明的输入直流电源模块102的一实施例的示意图。如图5 所示，输入直流电源模块102由包含多个磁性电容200的磁性电容模块实现，磁性电容200 以数组的方式而互相电连接，然而，这并非为本发明的限制，实际上，多个磁性电容200可 以以串联或并联的方式来互相电连接，以满足各种电源供应需求。在本实施例中，输入直流 电源模块102利用半导体加工过程在硅基板上制作多个小尺寸的磁性电容200，并通过适 当的金属化加工过程来电连接多个磁性电容200而构成。此外，储电单元104也可由磁性 电容模块实现，当然其运作方式及原理同上述说明，在此不再赘述。 为进一步说明直流电源转换装置10的详细运作方式，请参考图6，图6为本发明 的直流电源转换装置10的另一实施例的示意图。直流电源转换装置60包含有输入直流电 源模块602、储电单元604、切换开关606、频率切换模块608及滤波电容Cf 。其中，输入直 流电源模块602及储电单元604为磁性电容模块。值得注意的是，由于图6的直流电源转 换装置60与图1的直流电源转换装置10中具有相同名称的组件具有类似的运作方式与 功能，因此为求说明书内容简洁起见，详细说明便在此省略，这些组件的连结关系如图6所 示，在此不再赘述。输入直流电源模块602提供输入直流电源Pi。切换开关606根据切换 频率fs，将储电单元604连接至输入直流电源模块602或负载610。当切换开关606将储 电单元604电连接至输入直流电源模块602时，储电单元604会储存输入直流电源Pi的能 量；相对地，当切换开关606将储电单元604电连接至负载610时，储电单元604提供输出 直流电源Po至负载610，由于储电单元604为磁性电容模块，若电容的时间常数为RC(其中 R为一等效电阻值，C为储电单元604的电容值)、输入直流电源Pi的电压值Vi及输出直 流电源Po的电压值Vo，而且假设储电单元604供应的电流大部份供应至负载610( Icslo )，则经由式2计算出储电单元604的等效电阻R，再由式3的表达式可计算出流经负载610 的电流Io : RC = + =*R=^ (式2) <formula>formula see original document page 6</formula> 接着，根据奥姆定律公式Vo = 1oXRo(假设负载610的等效电阻为Ro)，即可计算 出直流电源转换装置60所转换的输出直流电源电压Vo，以满足负载610的电力需求。请继 续参考式2及式3，在本实施例中，若输入直流电源电压Pi、储电单元604的电容值C及负 载610的等效电阻为Ro为一固定值时，可以通过调整切换开关606的切换频率fs来改变 电流Io以达到所需的输出直流电压Vo ;此外，若负载610有变化时，也可通过调整切换频 率fs来改变电流Io以达到所需的输出直流电压Vo。 请继续参考图6，如图6所示，频率切换模块608包含有电流检测单元612、电压检 测单元614及控制单元616。其中，电流检测单元612，耦接于切换开关606及负载610，用 来检测输出直流电源Po的电流变化情形。电压检测单元614与该负载并联，用来检测输出 直流电源Po的电压变化情形。控制单元616耦接于电流检测单元612、电压检测单元614 及切换开关606，用来依据输出直流电源的电流变化情形及电压变化情形，控制切换频率。控制单元616通过电压检测单元614与控制单元616来实时监测负载610的电力状况，以 调整控制切换开关606的切换频率，来达到所需输出直流电源Po，满足负载610的电力需 求。 值得注意的是，图1的直流电源转换装置10及图6的直流电源转换装置60为本 发明的实施例，本领域的普通技术人员可据以做出不同的变化，而不限于此。任何可使用前 述揭露的组件与架构达到相同效果的直流电源转换装置与电子装置皆属于本发明的保护 范畴之中。 综上所述，在本发明中，直流电源转换装置的储电单元，使用电容的设计可避免使
用电阻的耗能缺点，以节省系统电能，更重要的是，经由使用具有能量密度大、体积小与重
量轻的磁性电容，可快速稳定的提供不同的电力需求与縮小装置体积设计。 以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明申请保护范围所做的等价变化与
修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
一种直流电源转换装置，用以将输入直流电源转换为输出直流电源，该电源转换装置包含有输入直流电源模块，用以提供输入直流电源；储电单元，用以储存该输入直流电源的能量，并提供输出直流电源至负载；切换开关，耦接至该输入直流电源模块、该储电单元及该负载，用来根据切换频率，将该储电单元连接至该输入直流电源模块或该负载；以及频率切换模块，耦接至该切换开关及该负载，用来依据该输出直流电源的变化，控制切换频率。
2. 如权利要求1所述的直流电源转换装置，其中所述输入直流电源模块为磁性电容模 块，该磁性电容模块包含有至少一个磁性电容。
3. 如权利要求2所述的直流电源转换装置，其中所述至少一个磁性电容包含有以串联 或并联方式电连接的磁性电容。
4. 如权利要求1所述的直流电源转换装置，其中所述储电单元为磁性电容模块，该磁 性电容模块包含有多个以串联或并联方式电连接的磁性电容。
5. 如权利要求2或4所述的直流电源转换装置，其中每一磁性电容包含有 第一磁性电极，其由具有磁性的导电材料构成，用以形成第一磁偶极； 第二磁性电极，其由具有磁性的导电材料构成，用以形成第二磁偶极；以及 介电层，设置在该第一磁性电极与该第二磁性电极之间。
6. 如权利要求5所述的直流电源转换装置，其中所述第一磁性电极包含有 第一磁性层，其由具磁性的导电材料构成，用以形成第三磁偶极； 第二磁性层，其由具磁性的导电材料构成，用以形成第四磁偶极；以及 隔离层，其由非磁性物质构成并设置在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构成。
7. 如权利要求1所述的直流电源转换装置，其中所述储电单元在该切换开关将该储电 单元电性连接至该输入直流电源模块时，储存该输入直流电源的能量。
8. 如权利要求1所述的直流电源转换装置，其中所述储电单元在该切换开关将该储电 单元电性连接至该负载时，提供该输出直流电源至该负载。
9. 如权利要求1所述的直流电源转换装置，其中该频率切换模块包含有 电流检测单元，耦接至该切换开关及该负载，用来检测该输出直流电源的电流变化情形；电压检测单元，与所述负载并联，用来检测该输出直流电源的电压变化情形；以及 控制单元，耦接至该电流检测单元、该电压检测单元及该切换开关，用来依据该输出直 流电源的电流变化情形及电压变化情形，控制切换频率。
10. 如权利要求1所述的直流电源转换装置，还包含滤波电容，耦接至该负载。
全文摘要
本发明提供一种直流电源转换装置，用以将输入直流电源转换为输出直流电源，该电源转换装置包含有输入直流电源模块、储电单元、切换开关及频率切换模块。该输入直流电源模块，用以提供该输入直流电源；该储电单元，用以储存该输入直流电源的能量，并提供该输出直流电源至负载；该切换开关，耦接到该输入直流电源模块、该储电单元及该负载，用来根据切换频率，将该储电单元连接至该输入直流电源模块或该负载；以及该频率切换模块，耦接至该切换开关及该负载，用来依据该输出直流电源的变化，控制切换频率。
文档编号H02M3/10GK101728944SQ20081016945
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月22日 优先权日2008年10月22日
发明者周锦城 申请人:光宝科技股份有限公司