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獵能系統之升壓型電荷泵轉換電路設計與實現

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Academic year: 2021

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全文

(1)

電機與控制工程學系

獵能系統之升壓型電荷泵轉換電路設計與實現

Design and Implementation of Boost Charge Pump

Circuit of Energy Harvesting System

研 究 生:張建智

指導教授:林錫寬 博士

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獵能系統之升壓型電荷泵轉換電路設計與實現

Design and Implementation of Boost Charge Pump

Circuit of Energy Harvesting System

研 究 生:張建智 Student:Chien-Chih Chang

指導教授:林錫寬 博士 Advisor:Dr. Shir-Kuan Lin

國 立 交 通 大 學

電機與控制工程學系

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Department of Electrical and Control Engineering College of Electrical Engineering

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master

in

Electrical and Control Engineering June 2009

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

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ii

獵能系統之升壓型電荷泵轉換電路設計與實現

研究生:張建智 指導教授:林錫寬 博士

國立交通大學電機與控制工程研究所

摘 要

本文針對獵能系統研製出以電荷泵式直流對直流轉換器為主架構的儲能 電路。首先介紹獵能系統,包含獵能源、交流對直流轉換器、直流對直流轉 換器及儲能元件,回顧現有的文獻,了解應用產品的電壓和功率使用的範圍, 以數個 mW 到數十個 mW 等級的能量規格,按照此目標進行設計。 電荷泵是一種不含電感元件的升壓型電路,又稱為無電感交換式直流對 直流轉換器,在可攜式電源的設計中占有很重要的地位,本文中先敘述電荷 泵的原理與設計方法,再以電路模擬軟體模擬後,依此理論與規格實現一個 輸出電壓為輸入電壓兩倍的獵能系統,以硬體電路的方式來完成,其實體的 長寬尺寸為 32mm×32mm。 實驗過程分為閘極驅動量測、電壓轉換量測和獵能系統量測。由閘極驅 動量測可知電晶體驅動 IC 能夠得到正確的驅動波形和避免導通狀態重疊;由 電壓轉換量測可知電荷泵式直流對直流轉換器的電路充電動作;獵能系統量 測首先使用直流電源來驗證,分為一般輸入電壓和低輸入電壓的情況,再利 用手搖式發電機當作輸入獵能源,經過轉換電路後在儲能元件中儲存,在本 實驗中藉由電路的分析和電晶體開關導通的穩定控制中,得到良好的儲能效 果:當輸入電壓大於 4V 時,獵能系統的效率超過 67%,而當輸入電壓為低 電壓時,電荷泵式直流對直流轉換器的效率約有 98%。

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iii

Design and Implementation of Boost Charge Pump Circuit of

Energy Harvesting System

Student:Chien-Chih Chang Advisor:Dr. Shir- Kuan Lin

Submitted to Department of Electrical and Control Engineering

National Chiao Tung University

ABSTRACT

The paper presents an Energy Harvesting System based on Charge Pump DC/DC converter. At the beginning, introduce to the Energy Harvesting System, including an Energy Source, an AC/DC converter, a DC/DC converter and an Energy Storage. Review technical literatures, and realize the voltage and the power range of application products. It is designed from several mW to tens of mW.

Charge Pump is a boost circuit without inductance, also called non-inductance switching DC/DC converter. It is important for portable power supply design. The paper firstly states the Charge Pump theorem and the design method. Then use the power simulation software to simulate the circuit. Implement the output voltage is twice of the input voltage in the Energy Harvesting System by hardware circuit. The dimension is 32mm×32mm.

The experiment divides into three parts: the gate driver measurement, the voltage transfer measurement, and the Energy Harvesting System measurement. We know MOSFET driver IC exports correct waveforms and avoids cross-conduction in the gate driver measurement. We know the charge process of Charge Pump DC/DC converter in the voltage transfer measurement. The Energy Harvesting System measurement divides into normal input voltages and low input voltages by DC power supply. Then use a hand generator as an Energy Source and Energy is stored in the storage device through the converting circuit. By the circuit analysis and the stable control of MOSFET switches, we can obtain the good storage efficiency: When input voltages are greater than 4V, the efficiency of Energy Harvesting System exceeds 67%. When input is low voltages, the efficiency of Charge Pump DC/DC converter is about 98%.

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誌 謝

非常感謝指導教授林錫寬博士,在研究所的兩年生涯中,給予我很多意 見與指導,您豐富的學識以及堅持的研究精神,都是我所效法的對象。其次 非常感謝林法正教授和趙昌博教授,在百忙之中來幫我進行論文口試,也感 謝各位老師對本論文的建議和指正,以及對我個人的勉勵。 感謝亞力電機公司研發處副處長方志行博士、博士班王超民學長和林資 程學長,碩士班羅振國學長、吳昱錚學長和呂宜釗學長在我研究過程中的指 導與建議,並感謝同窗好友以軒、淑婷,與學弟元亨、家振、千綬、宗德、 威志陪伴我在實驗室做研究的日子,給我的鼓勵和支持,使我在研究所這兩 年獲益良多。 最後,我更要感謝我的家人,奶奶、爸媽、叔叔與姑姑們,在這段期間 內不曾間斷的鼓勵和關懷,讓我可以堅持下去,另外也感謝女友絲穎的陪伴 與支持。在此謹以本份論文的結果獻給我的家人、女友與其他關心、幫助過 我的師長及朋友,願將這份喜悅與你們分享。

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目 錄

書名頁 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ i 中文摘要 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ ii 英文摘要 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ iii 誌謝 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ iv 目錄 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ v 表目錄 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ viii 圖目錄 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ ix 第 1 章 緒論 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 1 1.1 研究動機與目的 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 1 1.2 研究範圍與方法 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 1 1.3 論文章節概述 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 3 第 2 章 獵能系統回顧 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 5 2.1 獵能系統介紹 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 5 2.2 獵能系統架構 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 5 2.2.1 獵能源 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 7 2.2.2 轉換電路 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 10 2.2.2.1 交流對直流轉換器 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 10 2.2.2.2 直流對直流轉換器 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 11 2.2.3 能量儲存裝置 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 12 2.3 文獻回顧 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 13 2.3.1 壓電材料振動獵能的最佳化 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 13 2.3.2 低能量消耗的獵能電路 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 16 2.3.3 低功率的獵能系統 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 17 2.3.4 微感測器的獵能系統和能源管理 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 18

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vi 2.3.5 使用壓電材料對電池充電 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 19 2.4 獵能系統應用 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 19 2.4.1 自發電無線滑鼠 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 19 2.4.2 汽車胎壓監測系統 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 20 2.4.3 手電筒 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 20 2.4.4 無線網路模組 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 20 2.5 應用產品功率範圍 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 21 2.5.1 100mW 以上 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 21 2.5.2 50mW~100mW﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 21 2.5.3 1 mW~50mW ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 22 2.5.4 1 mW 以下﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 23 第 3 章 電荷泵發展技術 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 25 3.1 Cockcroft-Walton 電荷泵 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 25 3.2 Dickson 電荷泵 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 26 3.3 Wu 電荷泵 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 28 3.4 Makowski 電荷泵 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 31 3.5 Kormann 電荷泵 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 32 第 4 章 電路分析與設計 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 35 4.1 電路理論與設計方法 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 35 4.1.1 二極體橋式整流器 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 35 4.1.2 電荷泵式直流對直流轉換器 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 36 4.2 設計範例 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 42 第 5 章 硬體電路實現 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 46 5.1 元件選用 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 46 5.2 閘極驅動方法 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 47

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vii 5.3 包含驅動方法之升壓型電荷泵轉換電路﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 49 5.4 電路模擬 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 49 5.5 電路圖的規劃 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 51 5.6 實驗量測結果 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 53 5.6.1 閘極驅動量測 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 53 5.6.2 電壓轉換量測 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 54 5.6.3 獵能系統量測 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 55 5.6.3.1 實驗一 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 55 5.6.3.2 實驗二(輸入為低電壓) ﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 57 5.6.3.3 實驗三(手搖式發電機) ﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 60 第 6 章 結論與未來展望 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 62 6.1 結論 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 62 6.2 未來展望 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 62 參考文獻 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 63

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表 目 錄

2.1 Energy source 的能量密度[2] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 8 2.2 常見應用產品的規格 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 23 2.2 文獻獵能系統的應用 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 24 4.1 規格設計步驟(輸入電壓Vi =4V) ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 42 4.2 格設計步驟(輸入電壓Vi =3V) ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 43 4.3 規格設計步驟(輸入電壓Vs =0.9V) ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 44 4.4 規格設計步驟(輸入電壓Vs =0.5V) ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 45 5.1 IR2111 腳位敘述 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 48 5.2 輸入直流電壓實驗結果 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 56 5.3 輸入低電壓(0.9V)實驗結果 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 58 5.4 輸入低電壓(0.5V)實驗結果 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 59

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ix

圖 目 錄

1.1 直流對直流電力轉換器分類樹狀圖 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 3 2.1 獵能系統 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 6 2.2 第一級結構的獵能系統 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 6 2.3 第一級結構的獵能系統硬體電路[1] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 7 2.4 第二級結構的獵能系統 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 7 2.5 自動上發條手錶[3] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 9 2.6 節能鞋示意圖[4] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 9 2.7 Perpetuum 的能量收集微發電機[5] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 9 2.8 二極體橋式整流器 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 10 2.9 加入濾波電容的充放電情形 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 10 2.10 直流對直流轉換器[11] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 11 2.11 直流轉直流轉換器的開關利用率[11] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 12 2.12 壓電元件和交流對直流整流器[6] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 13 2.13 壓電元件和交流對直流整流器的電壓和電流波形[6] ﹒﹒﹒﹒﹒ 13 2.14 Ottman 等人提出的能量收集電路[6] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 14 2.15 傳統的 SSHI 電路[7] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 16 2.16 Makihara 等人提出的 SSHI 電路[7] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 16 2.17 SSHI 機械作用示意圖[7] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 17 2.18 T.S.Paing 等人提出的 buck-boost 電路[8] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 18 2.19 T.S.Paing 等人使用 DC 電源和理論的效率比較[8] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 18 2.20 Sadano 充電電路[10] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 19 2.21 自發電無線滑鼠[12] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 19 2.22 太陽能能量收集無線嵌入式系統[2] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 20 3.1 Cockcroft-Walton 電荷泵[20] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 25

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x 3.2 Dickson 電荷泵[21] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 26 3.3 四階層 Dickson 電荷泵[21] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 27 3.4 電壓變動[20] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 27 3.5 Wu 電荷泵(NCP-1)[20] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 28 3.6 CTS 電壓變動[20] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 29 3.7 Wu 電荷泵(NCP-2)[22] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 30 3.8 Makowski 電荷泵[24] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 31 3.9 Kormann 電荷泵[26] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 32 3.10 改善之輸出波形(A)單級倍壓器 (B)推挽式倍壓器[26] ﹒﹒ 32 3.11 K ormann 3 倍壓電荷泵[26] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 33 3.12 K ormann 1.5 倍壓電荷泵[26] ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 33 4.1 升壓型電荷泵轉換電路架構 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 35 4.2 克西和夫電荷定律 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 36 4.3 電荷轉移後重新分配 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 37 4.4 電荷泵式直流對直流轉換器電路動作 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 37 4.5 電荷泵式直流對直流轉換器穩態輸出電壓波形 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 38 4.6 電荷泵式直流對直流轉換器電路動作-考慮電晶體開關的內阻 40 5.1 IR2111 腳位 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 47 5.2 輸入和輸出時序圖 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 48 5.3 包含驅動方法之升壓型電荷泵轉換電路 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 49 5.4 PowerSIM 模擬圖 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 49 5.5 輸入電壓 Vi=4V 的模擬結果 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 49 5.6 電容 Cs情形 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 50 5.7 手搖式發電機的模擬結果 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 51 5.8 Protel 99SE 規畫之電路圖 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 51

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xi 5.9 Protel 99SE 規畫之 PCB 圖 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 52 5.10 實體的獵能裝置之升壓型電荷泵轉換電路 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 52 5.11 四組閘極的驅動波形 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 53 5.12 停滯時間與導通時間波形 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 54 5.13 電容 Cs充電情形 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 54 5.14 獵能裝置方塊圖 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 55 5.15 輸出電壓波形(輸入電壓 Vi=4V) ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 56 5.16 輸出電壓波形(輸入電壓 Vi=3V) ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 56 5.17 系統效率 ηs對輸入電壓Vi關係 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 57 5.18 輸出電壓波形(Vs=0.9V) ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 57 5.19 轉換器效率 ηc對整流器功率 Ps關係(Vs=0.9V) ﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 58 5.20 輸出電壓波形(Vs=0.5V) ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 59 5.21 轉換器效率 ηc對整流器功率Ps關係(Vs=0.5V) ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 59 5.22 實體的手搖式發電機 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 60 5.23 手搖式發電機空載之電壓波形 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 60 5.24 手搖式發電機經由獵能裝置儲能波形 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 61

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第 1 章 緒論

1.1 研究動機與目的

隨著時代的進步,科技的發展日新月異,生活周遭充滿著各式各樣的電 子產品,包含個人電腦、影音設備、手持式行動電話以及家庭電器等等,帶 給了我們快速的資訊和休閒娛樂,成為我們生活中不可或缺的一部分,而科 技產業蓬勃發展的同時也造成市場上激烈的競爭,於是產品的價格、數量與 品質就越來越受到重視。 由於電子產品的大量使用,導致能源的消耗劇增,而地球上的資源有限, 於是科學家便投入如何降低能源消耗和取得自然能源的方法,使得獵能 (Energy Harvesting)技術獲得很多的研究,從周圍環境的自然能源,如太陽 能、風能、熱能、光能、機械震動能中獵取能量,經由電力轉換器收集並儲 存於儲能元件中,提供無線式產品和可攜式產品的使用電源。 各種的電子產品都需要不同規格的電源輸入,使它們能夠穩定的運作, 故電力轉換器的設計就成為了重要的課題,隨著電子產品不斷的小型化,複 雜度也在提高,於是電源提供的使用壽命、元件的體積、功率的消耗成為主 要的設計考量,近年來的趨勢也朝向、體積小、效率高、成本低的方向發展, 其中切換式電力轉換器可達成此目標。

1.2 研究範圍與方法

本文主要探討獵能系統和各種電力轉換器,並實現升壓型電荷泵轉換電 路。在現今的電力系統中,我們需要將未經調整的交流輸入電壓透過電力轉 換器輸出穩定的直流電壓,以提供精密的電子產品使用。而電力轉換系統分 為兩級結構,第一級結構是交流對直流(AC/DC)整流器,第二級結構是直 流對直流(DC/DC)轉換器,最後經由儲能元件儲存電能。 而第二級的直流對直流電力轉換技術包含有線性調節器和切換式調節

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2 器,早期是使用傳統的線性調節器,但它的缺點是效率差和體積大,後來發 展了切換式調節器,則有效率高和體積小的優點,隨著積體電路和被動元件 的發展,使得切換式調節器的可靠度提升,在電子系統中扮演了舉足輕重的 角色。 獵能系統是近年來在能源技術上相當重要的研究方向,不同於一般發電 機的產生電能方式,將環境中可得的能源轉換成使用的電能,以達到能源再 利用的概念,也有相當多的文獻和應用,例如由 Ottman[6]等人提出從壓電材 料中找最佳化的方法來獵取能量。Makihara[7]提出了低能量消耗的獵能系 統,減少二級體橋式整流器造成的壓降損失。T.S.Paing[8]則是利用低電壓來 產上最大的電能,並應用在無線感測裝置上。Cantatore[9]則是研究了幾種可 以用來獵能的材料,有微機電式振動發電機、光電能板和熱電式發電機等等。 Sadano[10]則是實驗了兩種壓電材料的效率和電池充電時間的關係。另外著 名的美國麻省理工學院的媒體實驗室所發展的節能鞋,是將壓電材料裝置在 鞋子下方,當人在走路時,可將機械能轉為電能。 而直流對直流電力轉換器分為升壓式(Boost)、降壓式(Buck)、升降壓 式(Buck-Boost)、返馳式(Flyback)、順向式(Forward)、推挽式(Push-Pull)、 諧振式(Resonant)與電荷泵式(Charge Pump)等等,如圖 1.1 的直流對直 流 電 力 轉 換 器 分 類 樹 狀 圖 。 本 文 的 電 荷 泵 式 轉 換 器 又 可 細 分 為 Cockcroft-Walton 電荷泵、Dickson 電荷泵、Wu 電荷泵、Makowski 電荷泵、 Kormann 電荷泵等等,各有其特點,詳述於後面章節。

本實驗的電荷泵式轉換器是一種不包含電感元件的升壓型電路,故又稱 為無電感交換式直流對直流轉換器,由於都是使用電容元件,轉換效率比線 性調節器高,不使用電感元件,其電磁干擾(EMI)較低,在可攜式電源的 設計中佔有很重要的地位。

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3 DC/DC電力 轉換器 線性式轉換器 (Linear) 切換式轉換器 (Switching) 降壓式 (Buck) 諧振式 (Resonant) 升壓式(Boost) 升降壓式 (Buck/Boost) 1.順向式 (Forward) 2.半橋式 (Half-Bridge) 3.全橋式 (Full-Bridge) 4.推挽式 (Push-Pull) 1.返馳式 (Flyback) 2.CUK式 多諧振 半諧振 一般諧振 電荷泵式 (Charge Pump) 圖 1.1. 直流對直流電力轉換器分類樹狀圖

1.3 論文章節概述

本文提供了獵能系統的介紹與文獻整理,及電荷泵技術的演進,結合成 電以荷泵式直流對直流轉換器為基礎的獵能系統,並對此電路做分析與設計 的推導,再經由模擬與實際量測來驗證結果,本文架構可以分成六個章節: 第一章:緒論 說明此研究的動機和目的,以及研究的範圍和方法。 第二章:獵能系統回顧 敘述獵能系統與架構,以現有的文獻做範例式的說明,及介紹相關的應用產 品範圍,並將文獻和應用產品做表格的整理。 第三章:電荷泵發展技術 介紹電荷泵的發展歷史和各種不同類型的電荷泵技術,進而對電荷泵有概略 性的了解和認識。

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4 第四章:電路分析 針對獵能系統提出的電荷泵式直流對直流轉換器,提出電路的理論和分析的 方法,為實作前的理論依據。 第五章:硬體電路實現 首先完成電路的模擬,再以硬體電路的方式實現,並由實驗結果中量測數據, 進行分析和比較。 第六章:結論與未來展望 對上述幾章的內容做個結論並提出未來可繼續研究和發展的方向。

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第 2 章 獵能系統回顧

2.1 獵能系統介紹

獵能系統(Energy Harvesting System)是指從周圍環境中獵取能量並且 轉換成電能,延長電子系統的電源使用時間或提供無盡的電力。在自然界中, 能量以各種形式存在,包括太陽能、風能、熱能、光能、機械振動能、電磁 能和聲能等等,皆可利用能量收集技術轉換成電能以提供無線式產品和可攜 式產品使用。 這些自然能量廣泛地存在於我們的生活中,如何將這些自然能量轉換成 可用的電能是許多科學家努力研究的目標,若能透過獵能系統來轉換成電能 並儲存於儲能元件中,透過重覆使用的充電儲能元件可以減少拋棄式化學電 池的使用,降低能源的消耗及污染,延長電池的使用壽命也可以減少更換電 池上的成本,因此如何有效的使用獵能系統將越來越受到注目。

2.2 獵能系統架構

獵能系統主要可分為三個架構,如圖2.1所示: 1. 獵能源(Energy Source):從周圍環境中獵取能量 2. 轉換電路(Harvesting Circuit):交流對直流轉換電路、直流對直流轉換電 路 3. 能量儲存裝置(Energy Storage):能量儲存於電容或電池

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6 太陽能 振動能 電磁能 風力 熱能 獵能裝置 儲能元件 能量使 用 圖2.1. 獵能系統 如圖2.2所示為第一級結構的獵能系統,圖2.3為第一級結構的獵能系統硬 體電路,包含了交流轉直流轉換器以及能量儲存裝置,一般的交流轉直流轉 換器使用二極體橋式整流器,能量儲存裝置使用可充電式電池或超級電容來 儲能,圖2.3為第二級結構的獵能系統,第二級結構則是增加了直流對直流轉 換器。 Cp

Energy Source AC/DC Rectifier

Vbat

Energy Storage

(19)

7

圖2.3. 第一級結構的獵能系統硬體電路[1]

Cp Cret

Energy Source AC/DC Rectifier Harvesting Circuit

Vbat Energy Storage DC/DC Converter 圖2.4. 第二級結構的獵能系統

2.2.1 獵能源

表2.1顯示了幾種獵能源的能量密度(power density),其中以機械振動和 光能的獵能技術研究較多,也有較多的相關應產品,機械振動的獵能技術以 壓電材料舉例,當壓電材料振動時受到張力作用時產生電壓變化,便可以透 過獵能系統儲存起來。另外,微發電機也是微小電力系統的主要來源,微發 電機主要有壓電式、電磁式和熱感式等等,可以透過許多方法來發電,例如 人體運動時會產生熱能,便可以將它轉變成電能儲存起來,汽車、火車行進 時會產生振動,也可以將它轉變成電能儲存起來,以達到充分利用能源的效 果。

(20)

8

表2.1. Energy source的能量密度[2]

Harvesting technology power density

(

)

Solar cells outdoor 15 / 3

mW cm

(

)

Piezoelectric shoe inserts 330μW cm/ 3

( )

Vibration small microwave oven 160μW cm/ 3 (10 ) Thermoelectric °C gradient 40μW cm/ 3 Acoustic noise (100dB) 960 / 3 nW cm 早在1920年代就有著利用自然能源的觀念,當時有位鐘錶匠製造出自動 上發條的手錶如圖2.5[3],是以機械的方式從戴手錶的人手中晃動來獲取能 量,重新上緊手錶發條。 到了1990年代,微發電機的研究有著快速的發展,便利用壓電效應(當 特定的晶體物質受到機械性壓力時,便會放電)設計出一種節能鞋如圖 2.6[4],將壓電陶瓷(PZT)和壓電薄膜(PVDF﹚裝置在鞋子下方,當人在 走路時,可將機械能轉為電能。 英國的Perpetuum公司推出一種能量收集微發電機(Energy Harvesting Microgenerator)如圖2.7[5],可為需要準確的監控發電設備和機械工作狀態 的感測器、微處理器和發射器提供電力,而且不需要電池、昂貴的纜線或者 維修,此微發電機將以50Hz或60Hz頻率運轉設備振動產生的動能轉化成電能 使用。 美國喬治亞理工學院的華裔科學家利用了奈米技術和壓電效應,發明了 奈米發電機,將單根紡織纖維用氧化鋅製成奈米線包覆起來,另外的纖維用 金線包覆,因為所有纖維是緊密交織在一起的,經過拉扯後相互作用的壓力 就可以產生電力,奈米發電機的電力輸出功率達到10毫伏特以及800奈安培。

(21)

9

圖2.5. 自動上發條手錶[3]

圖2.6. 節能鞋示意圖[4]

(22)

10

2.2.2 轉換電路

2.2.2.1 交流對直流轉換器

獵能系統的收集與轉換電路主要由交流對直流轉換器和直流對直流轉換 器組成,一般常見的交流轉直流轉換器是使用二極體整流器,或稱為二極體 橋式整流器,如圖 2.8 所示,二極體橋式整流器使用四個二極體,當輸入 Vi 為正電壓時,二極體D1、D2 順向偏壓,電流通過。輸入 Vi為負電壓時,二 極體 D3、D4 順向偏壓,電流通過。因此可以讓全週期通過,只是負週期會 反相通過。 Vi + -D1 D4 D2 D3 Vo + -D1 D4 D2 D3 Vi + -Vo + -i i 圖2.8. 二極體橋式整流器 而二極體橋式整流器的輸出,呈現週期性的脈動直流,以漣波 (ripple) 電壓型式出現,因此必須加入濾波電容,以得到平穩的直流電壓。如下圖2.9 所示為二極體橋式整流器加入濾波電容的充放電情形,當輸入電壓對濾波電 容充電至最大值 Vm 時,濾波電容電壓下降,開始放電至負載,直到下一週 期循環再開始充電。而電容的容量越大,能儲存的電量也越多,於是放電電 壓下降較小,放電較慢,反之電容的容量越小,電壓下降較大,放電時間也 較快,故濾波電容對漣波電壓的影響很大。 圖2.9. 加入濾波電容的充放電情形

(23)

11

2.2.2.2 直流對直流轉換器

直流對直流轉換器包含了降壓式、升壓式、升降壓式、邱克式(CUK) 等等,這四種轉換器的基本架構如圖2.10 所示。直流對直流轉換器有連續電 流 導 通 模 式 (Continuous Current Condition ) 以 及 非 連 續 電 流 導 通 模 式 (Discontinuous Current Condition),這兩種特性不同,因此要根據各模式的 操作來設計轉換器。 例如在連續電流導通模式時,降壓式轉換器的輸出電壓 Vo 和輸入電壓 VI的關係為 Vo/VI = D,升壓式轉換器的輸出和輸入關係為 Vo/VI = 1/(1-D), 升降壓式轉換器的輸出和輸入關係為 Vo/VI = D/(1-D),邱克轉換器的輸入 和輸出的關係為 Vo/VI = D/(1-D)。 DC Vin L Vout D1 C Rout Q1 DC Rout Vout L Q1 Vin C D1

(a) Buck converter

(b) Boost converter DC Vin Vout L D1 C Rout Q1 (c) Buck/Boost converter DC Vin L1 D1 C Q1 (d) CUK converter L2 Vout Rout 圖2.10. 直流對直流轉換器[11] 直流對直流轉換器依其用途主要分為三大類,分別是降壓、升壓、和升 降壓,其他更多的轉換器也都是依此衍成出來的。圖 2.11[11]顯示直流轉直 流轉換器的開關利用率,開關利用率是指額定輸出功率與開關額定功率之比 值:PO/PT,其中 PO =VO.IO、PT =VT.IT,VT和 IT分別為開關的峰值電壓和 峰值電流。所以由圖2.11[11]中可以看出降壓式和升壓式的開關利用率較佳, 升降壓式的開關利用率較低且最大值會發生在責任週期(Duty Cycle)為 0.5

(24)

12 的時候。 1.0 0.5 D Po/PT 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 升壓式 降壓式 升降壓式 圖2.11. 直流轉直流轉換器的開關利用率[11]

2.2.3 能量儲存裝置

從獵能裝置中得到的能量儲存在儲能元件中,一般使用充電電池或超級 電容(super capacitor)。常見的充電電池的規格如 NiMH AAA:1000mAh、 1.2V、>1A max。Li 412: 1mAh、3V、0.15mA max。LIR 2032:40~60mAh, 3.6V,20mA max。 超級電容有別與傳統的介電電容(dielectric capacitor),為一功能介於電 池與傳統電容器之間的儲能元件,它的儲能機構不同於傳統介電電容器,反 而是類似充電電池,但其功率密度更高於一般充電電池,並且有很高的循環 壽命與穩定性,其功率密度可達到千瓦/公斤(kW/kg)數量級以上,循環壽 命在萬次以上。超級電容利用電荷經過電解質傳遞到電極來儲存能量,這樣 的原理與一般電池相近,主要的差別在於超級電容器在充放電時沒有化學反 應,只有靜電現象發生,因此超級電容會有較高的功率密度。常見的超級電 容的規格有0.022F~2.5F、5.5V、leakage current<1mA。

(25)

13

2.3 文獻回顧

2.3.1 壓電材料振動獵能的最佳化

Ottman[6]等人提出最佳化的方法從壓電材料的振動中獵取能量,利用非 連續模式(Discontinuous Condition Mode, DCM)的方法,找到一個最佳的責 任週期來控制電流量,獲取最大的能量,實驗的結果發現其獵取能量的功率 大約可增加325%。

圖2.12. 壓電元件和交流對直流整流器[6]

(26)

14 由圖2.12,電壓V 從p Vp

( )

0 = −VrectVp u Vrect ω ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ,可由電容C 決定,得 p ( ) 2 cos 1 rect p p V C u I ω = − (2.1) 而i to

( )

可表示成

( )

( )

0 0 / sin , / / rect o p rect p t u C i t I wt u t C C ω ω π ω ≤ ≤ ⎧ ⎪ = ⎨ ≤ ≤+ ⎩ (2.2) 如果Crect>>C ,則 p

( )

2 o 2 rect p o V C I i t ω π π = − (2.3) 並與Vrect相乘得到

( )

2 rect

(

)

p rect p V P t I V ωC π = − (2.4) 峰值輸出功率發生時 2 p rect p I V C ω = (2.5) 圖2.14. Ottman 等人提出的能量收集電路[6] 如上圖 2.14[6]是 Ottman 等人提出的能量收集電路,經由壓電材料振動 產生且經過整流的電壓 2 p rect p I V C ω = (2.6)

(27)

15 由DCM 的輸出電壓與電流關係[11]可表示成 1 out in battery D V V V D = = + Δ (2.7)

(

1

)

1 2 out s out battery V T I I D L = = + Δ Δ (2.8) 其中 D 、Δ 分別是電晶體 ON、OFF 的時間。 1 考慮轉換器的的輸入電流

(

)

2 2 in in out s D I V V Lf = − (2.9) 將(2.3)代入(2.9)可得

(

)

2 2 2 2 p rect p in out s I V C D V V Lf ω π − π = − (2.10) 解得 2 2 2 2 2 2 p out s rect p s I D V Lf V C D Lf π ω π + = + (2.11) 將(2.11)和(2.3)相乘得到 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 p p p out out s in s p s I C I D V V Lf D P Lf C D Lf ω π π π ω π ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ − + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ = ⎛ ⎞ + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (2.12) 由(2.10)解得 2 2 2 s p rect p rect out I V C Lf D V V ω π − = − (2.13) 由(2.5)知 2 p rect p I = V ωC (2.14) 將(2.14)代入(2.13)且輸出為一固定電壓Vbattery得 4 rect p s opt rect battery V LC f D V V ω π⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ = − (2.15)

(28)

16 若輸出電壓比輸入電壓大很多,此時 4 p s opt LC f D ω π = (2.16) 於是可以根據壓電材料振動的頻率、開關切換頻率、電感和壓電元件的電容, 設計出最佳的導通週期。

2.3.2 低能量消耗的獵能電路

Makihara[7] 等 人 提 出 了 一 個 低 能 量 消 耗 的 獵 能 電 路 , 以 SSHI (Synchronized Switch Harvesting on Inductor)電路如圖 2.15[7]做比較,傳統 的 SSHI 電路需要四個二極體做為橋式整流器,新型的電路如圖 2.16[7]只使 用兩個二極體,減少了兩極體的壓降損耗,實驗結果得到在能量收集時效率 增加了120%。 圖2.15. 傳統的 SSHI 電路[7] 圖2.16. Makihara 等人提出的 SSHI 電路[7]

(29)

17 圖2.17. SSHI 機械作用示意圖[7] Makihara 的電路是由開關連接在 point 1 或 2 來控制電流的流向,動作簡 述如下(參照圖2.16[7]和圖 2.17[7]): 當機械位移達到峰值而且 Vp為正值(tt1,Vp極性反轉由正到負, 開關連接point 2,電路動作為A→ → → → → →B E F G L H。 當-Vp達到 Vs(tt2),電路動作為H → → → → → →L G F C B A 當機械位移達到峰值而且 Vp為負值(tt3,Vp極性反轉由負到正, 開關連接point 1,電路動作為H → → → → →L D C B A當 Vp達到 Vs(t=t4),電路動作為A→ → → → → → →B E F C D L H

2.3.3 低功率的獵能系統

T.S.Paing[8]等人提出了從低電壓中獲取最大能量的無線感測裝置,從三 種獵能源中獲取,分別是整流天線、風力發電和機械振動,選擇的直流對直 流轉換器是升降壓式轉換器,透過推導電路中的元件功率消耗以及控制參數 選擇,設計出此獵能裝置,如下圖2.18[8]所示,低頻振盪器的電力直接由輸 出提供,在固定的k倍週期也轉換成高頻振盪器的電力,高頻振盪器的方波脈 衝寬度t1用來驅動功率開關Q1,電阻Rt和電容Ct用來設定低頻振盪器的頻率tlf 和k值,電阻Rset設定高頻振盪器的頻率fhf=0.5/t1,如圖2.19[8]是使用DC電源 和理論的效率比較。實驗使用直流電源測試,輸入電壓大約為0.25V~0.7V, 輸出電壓設定在3.3V,此裝置的輸出功率為50μW、效率有65%。

(30)

18 圖2.18. T.S.Paing 等人提出的 Buck-Boost 電路[8] 圖2.19. T.S.Paing 等人使用 DC 電源和理論的效率比較[8]

2.3.4 微感測器的獵能系統和能源管理

Cantatore[9]等人研究了幾種獵能的方法,分別是光電能板、微機電式振 動發電機和熱電式發電機,想要使感測系統散布在環境中且不被發覺,體積 的尺寸設定是100mm ,光電能板是最可行的,且發電功率為 100μW 已足夠3 供給微感測器使用。微機電式振動發電機在毫米的規格下,可以產生 1mW 的功率,而微振動元件共振頻率與外部振動來源的振動頻率必須一致,才有 可能達到這樣的效率,否則振動式結構的電能轉換並不太有效率。熱電式的 使用則更受限制,只有一些特定的環境適合使用,例如緊貼在皮膚上的元件。

(31)

19

2.3.5 使用壓電材料對電池充電

Sadano[10]等人利用兩種壓電材料 PZT(Piezoelectric)和 MFC(Macro Fiber Composites)藉由振動獲取能量儲存於電池中,由實驗中研究壓電材料 的效率和電池充電的時間,MFC 有較高的輸出電壓但電流低、功率小,較不 適合充電,PZT 則適合充不同的電池,下圖 2.20 是 Sadano 充電電路[10]。 圖2.20. Sadano 充電電路[10]

2.4 獵能系統應用

2.4.1 自發電無線滑鼠

無線滑鼠是個很熱門的產品,不使用 USB 傳輸線而是使用電池來提供電 力,而如果內建有微發電裝置,靠著手的移動就能使用滑鼠而不用電池。工 研院機械所就研發了這種的自發電無線滑鼠如圖 2.21[12],裝置在自發電無 線滑鼠內的高效自發電充電裝置,吸收的動能可以有效地轉換成電能,整體 轉換效率可高達60%。主要的原因在於內藏的高效能迷你往復式發電機,利 用堆疊排列的磁鐵與良好的磁通路徑,在低速運動時,即可達到極佳的能量 密度。 圖2.21. 自發電無線滑鼠[12]

(32)

20

2.4.2 汽車胎壓監測系統

胎壓的問題和生命安全有關,同時涉及耗油的問題,汽車胎壓監測系統 (Tire Pressure Monitoring System, TPMS)系統可讓駕駛者在駕駛儀表中,顯 示各輪胎的胎壓及溫度狀況,並於有問題時可即時、明確的顯示問題點,因 此,可提升駕駛安全並有效節省油耗使用量,而獵取能量的方法就是從汽車 行進時的輪胎震動轉換成電能儲存起來使用。

2.4.3 手電筒

市面上常見的手電筒需要更換電池,如果有裝置微發電機的手電筒,就 可以透過手搖式或手壓式發電,經由交流馬達感應產生電能,透過交流轉直 流整流器和直流轉直流轉換器來收集電能,即可照明使用。

2.4.4 無線網路模組

從無線感測網路節點所處的環境中,收集各種可利用的能源如太陽能、 風能、振動能中收集能量並儲存起來供電於各個元件,例如模數轉換器、微 控制器、射頻收發器等等,因此延長無線網路模組的壽命和降低成本將是研 究的核心,要能使無線感測器的電源實現長期有效的電力使用。如圖2.22[2] 為一個太陽能能量收集無線嵌入式系統的硬體電路圖。 圖2.22. 太陽能能量收集無線嵌入式系統[2]

(33)

21

2.5 應用產品功率範圍

表 2.2 列出了七項儲能系統可應用的產品,分別是:手電筒、無線電對 講機、無線滑鼠、生醫感測器、家電遙控器、無線射頻傳輸模組,以及計步 器。將上述七項產品依據其消耗功率大小作分類,並列出這些產品的工作電 壓以及額定電流,可以分成:100mW 以上、50mW~100mW、1mW~50mW, 及 1mW 以下的四種功率區間。這七項產品的工作電壓都是一般替換性電池 的額定電壓,適合本文所設計獵能系統的應用。表 2.3 是將各相關文獻分別 依其獵能源、輸入電壓、輸出電壓、輸出功率,以及其應用做整理。獵能源 最多研究使用的是壓電材料及太陽能,其他像是RF、熱能等,也都可以做為 轉換成電能的獵能源,由這些文獻和應用中,了解常見產品的電壓和功率使 用範圍,進而設計出一個獵能系統,其功率在數個mW 到數十個 mW 之間, 並以電荷泵式直流對直流轉換器為主架構來實現。

2.5.1 100mW 以上

文獻 “Design and analysis of micro-solar power systems for Wireless Sensor Networks” [14]從太陽能中收集的能量可至 100mW。

z 手電筒

工作電壓:3.6V、額定電流:100mA 以上。

z 無線電對講機

工作電壓:4.5V、額定電流:50mA(待機)~500mA(接收)。

2.5.2 50mW~100mW

文獻 “Design considerations for solar energy harvesting wireless embedded systems” [2]從太陽能收集的能量大約為 50mW~100mW,電池電壓 2.58V,負 載電流數十mA。

z 無線滑鼠

(34)

22

2.5.3 1mW~50mW

文獻 “Optimized Piezoelectric Energy Harvesting Circuit Using. Step-Down Converter in Discontinuous Conduction Mode” [7]從壓電材料中收集的能量大 約30mW。

文獻 “Power management for energy harvesting applications” [13]從熱感 應式發電機收集的能量大約1.4mW,電池電壓為 2.2V。

z 電子血壓計

原理為將人體血壓的柯氏音,經由麥克風放大,所以不需如傳統的血壓 計需要使用聽診器來量測,就可以輕易檢測到血壓脈動的聲音。 工作電壓:6V、額定電流:數 mA。

z 電子血糖計

原理以電化學氧化-還原反應進行血液中血糖濃度的測量,配合血 糖感測試紙的使用,可快速地量測出血糖濃度。 工作電壓:3V、額定電流:數 mA。

z 電子耳溫槍

原理是利用紅外線測量從鼓膜釋放的熱能,當耳溫槍前端感測元件 感測到熱能後,會把它轉換成電訊號,再經數位化處理後成為可判讀的 資料。 工作電壓:3V、額定電流:數 mA。 z

家電遙控器(電視、冷氣)

工作電壓3V、額定電流:電視 3~5mA、冷氣 6~9mA。

z 無線射頻傳輸模組

無線射頻傳輸模組包含了發射模組和接收模組,做為 PC 無線週邊 裝置,發射模組工作電壓:2.2V、額定電流:4.5mA,接收模組工作電 壓:5.5V、額定電流:7.5mA。

(35)

23

2.5.4 1mW 以下

文獻 “Resistor emulation approach to low- power energy harvesting” [8]從 RF 收集的能量大約在 100μW,電池電壓為 3.3V。

文獻 “Energy scavenging and power management in networks of autonomous microsensors” [9] 收 集 的 能 量 10μW ( MEMS ) ~100μW (Photovoltaic)。

z 計步器

原理是靠步行過程中產生的軀幹上下震動,改變了計步器的水平位 置,並傳導到計步器內部上下擺振裝置,進而啟動計數器的計數功能, 於是把移動過程轉換為步數並累計,最終結果就呈現在計步器的螢幕上。 工作電壓:3V、額定電流:10μA。 表2.2. 常見應用產品的規格 應用產品 Power range 工作電壓 額定電流 手電筒 3.6V 100mA 以上 無線電對講機 100mW 以上 4.5V 50mA(待機)、 500mA(接收) 無線滑鼠 50mW-100mW 3V 25mA 生醫感測器 3V 數mA 家電遙控器 3V 3mA~9mA 無線射頻傳輸 模組 1mW-50mW 2.2V(發射)、 5.5V(接收) 4.5mA(發射)、 7.5mA(接收) 計步器 1mW 以下 3V 10μA

(36)

24 表2.3. 文獻獵能系統的應用 文獻 獵能源 輸入電壓 輸出電壓 輸出功率 應用 [14] 太陽能 7V 以下 3.7V 130mW 無線感測 器網路 [2] 太陽能 4V 以下 2.8V 150mW 無線嵌入 式系統 [13] 熱感式 250mV 2.2V 1.4mW 無線傳感 器 [8] RF 0.5V 3.3V 125μW 無線傳感 器 [10] 壓電材料 0.8V~1V 1.2V 0.14mW~0.2m W 感應器、 致動器 [15] 壓電材料 3.38V 5V 1.8mW RFID 傳 送器 [16] 壓電材料 數十 V 3V 數十mW 遠端電源 供應 [17] 壓電材料 數十 V 3V 數十mW 遠端電源 供應 [18] 壓電材料 1.6V~5.5V 4.8V 200μW~1.5mW 自主式感 測網路 [19] RF 與微波 訊號 0.13V~0.6 5V 4.2V 23μW~545μW 微功率無 線裝置

(37)

25

第 3 章 電荷泵發展技術

隨著電子技術的微小化,積體電路的蓬勃發展,傳統電力轉換器的大體 積和電磁干擾嚴重,已漸漸不再適用,而電荷泵可以解決以上的缺點,應用 面也越來越廣泛。電荷泵是一種不包含電感元件的電路,其電磁干擾較低, 又稱為無電感交換式直流對直流轉換器。特色是輸出端電壓為輸入端電壓的 倍數,俗稱倍壓器(Voltage Doubler)。由於都是使用電容元件,轉換效率比 線性調節器高,在可攜式電源的設計中佔有很重要的地位。 電荷泵的發展技術早在1932年被提出,經過了數十年的演進,已發展成 各種不同類型的電荷泵,每一種都有自己的優缺點和特色,以下介紹幾種常 見且典型的電荷泵,進而對電荷泵有概略性的了解和認識。

3.1 Cockcroft-Walton 電荷泵

想要將輸出電壓提升超過兩倍,可以利用兩個以上的電容以串聯的方式 疊接(cascade)起來,這個技術最早是由Cockcroft和Walton於1932年提出的, 當 時 是 用 來 產 生 800,000V 的 穩 定 電 位 來 研 究 原 子 結 構 , 圖 3.1 為 Cockcroft-Walton 的電荷泵電路[20]。 圖 3.1. Cockcroft-Walton 電荷泵[20] 電容 CA、CB、CC、C1、C2的值皆為 C,電容 CA連接到供應電源 VDD, 當相位為φ時,電容 C1連接到電容 CA且充電至 VDD,當相位切換到φ時, 電容 C1連接電容 CB且和電容 CB分享電荷,兩者電位皆為 VDD/2,再切換為

(38)

26 相位φ時,電容 CB連接電容 C2且和電容 C2分享電荷,兩者電位皆為 VDD/4, 經過數個週期後,電壓會達穩態,此時五個電容都會有 VDD的電壓,此時輸 出電壓 Vout為電容 CA、CB、CC的跨壓,則 3 out DD V = V (3.1) 此種方法可以很容易的擴充,只是要增加更多的電容,然而,在實際應用上, Cockcroft-Walton 電荷泵並不適合用在積體電路,因為會有太大的離散電容 (stray capacitance)產生,此外,輸出阻抗會隨著升壓的倍數上升而增加, 使得效率變差,因此,J. Dickson 提出一種新的電荷泵來改善此缺失。

3.2 Dickson 電荷泵

J. Dickson提出的電荷泵如圖3.2[21]所示,電路包含了兩個相位φ和φ, 時脈的電壓為Vψ,二極體的順向偏壓為Vd,離散電容為Cs。 圖 3.2. Dickson 電荷泵[21] 首先忽略離散電容 Cs的影響,當相位為φ時,也就是φ為低電位,二極 體 D1導通,第一個電容 C 充電至 Vin- Vd。當相位切換為φ,電壓為 Vψ,節 點 1 的電壓為 Vin+(Vψ-Vd),此時 D1逆偏而關閉,D2導通,第一顆電容 C 對第二顆電容 C 充電,節點 2 的電壓為 Vin+(Vψ-Vd)- Vd,當相位為φ時, 節點 2 的電壓變成了 Vin+2(Vψ-Vd。經過了 N 個階層後,輸出電壓 Vout

(

)

out in d d V =V + ⋅N VφVV (3.2) 若考慮離散電容 Cs的影響,相位電壓 Vψ變成原本的 s C C+C 倍,因此輸出電壓 Vout

(39)

27

( )

out in d d s C V V N V V V C C φ ⎛ ⎞ = + ⋅ + ⋅ − − ⎝ ⎠ (3.3) 再將負載 RL考慮進去,負載會汲取電流 Iout,又因每一階層電容充放電的影 響,輸出電壓會產生下降量為 VL

(

out

)

L s osc I V C C f = + ⋅ (3.4) 其中 fosc電荷泵的操作頻率,因此輸出電壓 Vout

( )

(

out

)

out in d d s s osc C I V V N V V V C C φ − C C f ⎛ ⎞ = + ⋅ + ⋅ − + − ⎝ ⎠ (3.5) 圖 3.3. 四階層 Dickson 電荷泵[21] 而圖 3.3 為一個實際的四階層 Dickson 電荷泵[20],N=4,原二極體的順向偏 壓 Vd改成 NMOS 的門檻(threshould)電壓Vtn。其輸出電壓 Vout

( )

(

out

)

out in tn tn s s osc C I V V N V V V C C φ − C C f ⎛ ⎞ = + ⋅ + ⋅ − + ⋅ − ⎝ ⎠ (3.6) 圖 3.4. 電壓變動[20] 而在電壓傳遞的過程中,由於相位切換,會有電壓的變動如圖 3.4[20],定義 電壓變動量ΔV, 在 Dickson 電荷泵中可表示成

(40)

28

(

out

)

s osc s C I V V C C φ − f C C Δ = +⋅ + (3.7) 再定義電壓泵增益(Voltage Pumping Gain)Gv,代表每一階層的增加的電壓

1 v N N G =VV (3.8) 在 Dickson 電荷泵中可表示成 v tn G = Δ −V V (3.9) 在升壓的狀況下

(

tn

)

0 v G Δ −V V > (3.10) 當供應的電壓減少時,Vψ也會減少,則ΔV 也減少,於是 Gv跟著減少,也就 是說,Dickson 電荷泵在低壓的情況下較不適合。

3.3 Wu 電荷泵

Wu 電荷泵是由 J.Wu 於 1998 年提出的[22],利用動態開關來增加電壓泵 增益 Gv,基本的觀念是用 MOS 開關取代二極體,使開關有明確的切換用以 控制電荷流動,並可以消除二極體因為順向偏壓所造成的壓降,如圖 3.5[20] 所示為 Wu 電荷泵,稱之為 NCP-1(The New Charge Pump)。

圖 3.5. Wu 電荷泵(NCP-1)[20]

若是忽略電荷轉換開關(Charge Transfer Switches, CTS)M ~ s1 M ,其s5 電路操作和 Dickson 是一樣的,CTS 的概念是使用節點上的高電壓來控制前 一階的 CTS,當開關可以在設定時間內做切換時,電荷僅會遵循同一個方向 傳遞,而當 CTS 在正常操作下,不會因為門檻電壓造成壓降,即每一階的輸 入高端電壓會等於後一階的輸出低電壓,如圖 3.6[20]所示。

(41)

29 圖 3.6. CTS 電壓變動[20] 而電壓泵增益 Gv為 2 1 v G =V − (3.11) V 由式(3.11)和式(3.9)相比,可知 Wu 電荷泵比 Dickson 電荷泵擁有較好 的電壓泵增益 Gv,因為少了 Vtn的影響。 在圖 3.5[20]中,當相位為φ時,節點 1 和節點 2 的電壓相等,節點 3 的 電壓則比節點 1、節點 2 多出 2ΔV,M 的閘極(gate)到源極(source)的s2 電壓差為 2ΔV,M 要導通的條件是 s2 2Δ >V Vtn (3.12) 由式(3.12)和式(3.10)相比,可知 Wu 電荷泵比 Dickson 電荷泵擁有較多 的ΔV 的選擇,輸入電壓也可較小,故更適合用在低電壓的操作。 然而這個電路在相位切換時,會有反相漏電荷,當相位時脈φ為低電位 時,節點 2 和節點 3 的電壓相等,而且電壓比節點 1 多出 2ΔV,M 的閘極s2 到源極的電壓差為 2ΔV,M 要關閉的條件是 s2 2Δ <V Vtn (3.13) 因為式(3.12)在開關導通時成立,但式(3.13)和式(3.12)矛盾,因此Ms2 會發生不完全關閉的狀態,節點 2 和節點 1 會有電荷分享的情形出現,於是 電路的設計上會受到反向漏電荷的影響,使得電路的效率降低。因此 J.Wu 又提出了一種新的改良電荷泵,稱做 NCP-2(The New Charge Pump)。

(42)

30 圖 3.7. Wu 電荷泵(NCP-2)[22] 如 圖 3.7[22] 所 示 , 為 改 良 電 荷 泵 NCP-2 , 是 原 本 的 NCP-1 加 上 N1 M ~MN4、M ~P1 MP4,用來推動M ~s1 M ,提供動態控制的能力,可以使s4 開關有完全的關閉狀態。 當 1φ 為高電位、 2φ 為低電位時,節點 1 和節點 2 的電壓相等,節點 3 的電壓則比節點 1、節點 2 多出 2ΔV,此時MN2關閉,MP2導通,導通條件 為 2Δ >V Vthp (3.14) S2 M 的閘極到源極的電壓差為 2ΔV,此時M 要導通,導通條件為 S2 2Δ >V Vthn (3.15) 當 1φ 為低電位、 2φ 為高電位時,節點 2 和節點 3 的電壓相等,而且電壓比節 點 1 多出 2ΔV,此時MP2關閉,MN2導通,導通條件為 2Δ >V Vthn (3.16) 而MN2導通使得MP2的閘極到源極的電壓差為 0,此時M 關閉。比較兩S2 個相位可知,式(3.15)和式(3.16)可以同時滿足,因此不會出現反向 漏電荷,也不會有開關不完全關閉的狀態。

(43)

31

3.4 Makowski 電荷泵

M. S. Makowski 於 1997 提出的電荷泵[23]如圖 3.8[24]所示,主要特色為 利用較少的元件達到最大倍數的輸出電壓和輸入電壓比。 圖 3.8. Makowski 電荷泵[24] 相位 1φ 和 2φ 的時脈波形相差180°,相位只用做控制開關的導通,不影 響電容充放電的電壓。當 1φ 為高電位而 2φ 為低電位時,輸入電壓 Vin對第一 顆電容 C 充電,使節點 A 的電壓充至 Vin。而當 1φ 為低電位而 2φ 為高電位時, 節點 A 的電壓變成 2Vin,對第二顆電容 C 充電,此時節點 B 的電壓為 2Vin。 再切換回 1φ 為高電位而 2φ 為低電位時,節點 B 的電壓為第一顆電容 C 的跨 壓加上第二顆電容 C 的跨壓,等於 3Vin。相位再度切換為 1φ 為低電位而 2φ 為 高電位時,節點 C 的電壓為第一顆電容 C 的跨壓加上第二顆電壓 C 的跨壓加 上第三顆電容的跨壓,等於 8Vin。再度切換為 1φ 為高電位而 2φ 為低電位時, Vout的電壓為第一顆電容 C 到第四顆電容 C 的跨壓,等於 21Vin。 可發現 Makowski 電荷泵呈現斐波那契(Fibonacci)數列的情形。斐波 那契數列為: 0 1 1 F =F = 2 1 N N N F + =F + +F (3.17) 可以看出 Makowski 電荷泵的倍數增加相當快,但是當倍數高速成長,便無 法精準的控制想要的電壓值,而且電壓越高也代表開關的控制不易,因此必 須注意開關訊號的驅動。

(44)

32

3.5 Kormann 電荷泵

B.Kormann於2000年提出的推挽式電荷泵[25]如圖3.9[26]所示,主要特色 為改善輸出電壓的波動現象如圖3.10[26]所示。 圖 3.9. Kormann 電荷泵[26] 圖 3.10. 改善之輸出波形(A)單級倍壓器 (B)推挽式倍壓器[26]

(45)

33

推挽式倍壓器的兩組電荷泵相位相差180°,當第一組電荷泵(CHARGE PUMP 1)對電容 CF1充電時,第二組電荷泵(CHARGE PUMP 2)的電容 CF2

放電至輸出電容 COUT。而當第二組電荷泵(CHARGE PUMP 2)對電容 CF2

充電時,第一組電荷泵(CHARGE PUMP 1)的電容 CF1放電至輸出電容 COUT。

所以無論在哪個相位,輸出電容 COUT都有一組電荷泵在對它充電,可以使波 動情形減少。另外 B.Kormann 也提出了不同倍數的電荷泵: 圖 3.11. Kormann 3 倍壓電荷泵[26] 圖 3.11[26]為 Kormann 的 3 倍壓電荷泵,當相位時脈為φ時,開關 S2、 S3、S5、S6 導通,電容 CF1和 CF2同時充電至 VIN。當相位時脈為φ時,開關 S1、S4、S7 導通,電容 CF1和 CF2變成串聯狀態而對輸出電容 COUT放電,故 輸出電壓 VOUT為 3 IN OUT V = ⋅V (3.18) 圖 3.12. Kormann 1.5 倍壓電荷泵[26]

(46)

34 圖 3.12[26]為 Kormann 的 1.5 倍壓電荷泵,當相位時脈為φ時,開關 S3、 S4、S5 導通,電容 CF1和 CF2串聯,分別充電到 0.5VIN,當相位時脈為φ時, 開關 S1、S2、S6、S7 導通,電容 CF1和 CF2變成並聯狀態而對輸出電容 COUT 放電,故輸出電壓 VOUT為 1.5 IN OUT V = ⋅V (3.19) 所以只要利用電容的串聯或並聯,就可以使輸出電壓達到想要的倍數,而且 不僅限於整數倍。

(47)

35

第 4 章 電路分析與設計

4.1 電路理論與設計方法

本文的升壓型電荷泵轉換電路可分成三個部分,第一個部分係因獵能源 為變動電源,需構建交流對直流轉換器,由輸入電壓源串接二極體橋式整流 器。第二部分為電荷泵式直流對直流轉換器,將電壓提升至兩倍。第三部分 是儲能元件,將能量儲存以提供負載使用,此獵能裝置之升壓型電荷泵轉換 電路如圖4.1 所示。 Vi Cp Q3 Q4 Q2 Q1 Cs Co Cst Vo Bridge1 Vs 二極體橋式整流器 電荷泵式直流對直流轉換器 儲能元件 圖4.1. 升壓型電荷泵轉換電路架構

4.1.1 二極體橋式整流器

交流對直流轉換器使用二極體橋式整流器,由四個二極體組成,輸出端 會呈現週期性的脈動直流,以漣波電壓的型式出現,因此必須加入濾波電容, 以得到平穩的直流電壓。濾波電容儲存的電荷 Qp和漣波電壓波峰和波谷的電 壓差ΔVp成正比,即 p p p Q =C ⋅ Δ (4.1) V

(48)

36 且 p p p Q = ⋅ (4.2) i T 於是可得 p p p p i T C V ⋅ = Δ (4.3) 其中 ip為輸出端電流,Tp為漣波電壓週期,於是可根據上式(4.3)來選用適 合的電容值。 而實際的二極體在導通時會有壓降 Vd,當輸入電壓 Vi經過二極體橋式 整流器後,得到的電壓 Vs會有兩倍的壓降2Vd, 故 2 s i d V =VV (4.4)

4.1.2 電荷泵式直流對直流轉換器

電荷泵式直流對直流轉換器由四個電晶體開關、充電電容 Cs及輸出電容 Co 組成,可將圖 4.1 的電荷泵式直流對直流轉換器部分簡化成下圖 4.3,而 電壓的轉換動作主要透過週期性的切換開關使電容充放電,達到升壓的功能。 電荷泵直流對直流轉換電路的穩態數學分析可由幾個方法組成,分別是 克西和夫電壓定律(Kirchoff's Voltage Law)、克西和夫電流定律(Kirchoff's Current Law)和電荷平衡分析(Charge Balance Analysis), 詳細可參考 C. C. Wang [27]、W. H. Ki [28]及 A. Saiz-Vela [29]等人的文獻。歸納以上幾個方法, 可以得到一個定律,相似於克西和夫電流定律(Kirchoff's Current Law),稱 做克西和夫電荷定律(Kirchoff's Charge Law, KQL):

在電路系統中,電荷轉移的任何瞬時,離開某個節點的電荷總數等於零。 V2 V3 V1 + + + -C1 C2 C3 節點a 圖4.2. 克西和夫電荷定律

(49)

37 如圖 4.2 所示,電容 C1、C2、C3連接到節點 a,假設時間為 t 時,對應 的電容電壓為V t1( )− 、V t2( )− 、V t3( )− ,當電荷轉移完成時,電容電壓為 ( ) 1 V t+ 、V t2( )+ 、V t3( )+ ,根據克西和夫電荷定律,即

( )

( )

( )

( )

( )

( )

1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 3 3 C V t⋅ − +C V t⋅ − +C V t⋅ − =C V t⋅ + +C V t⋅ + +C V t⋅ + (4.5) 而一個簡單的表示法為:初始電荷等於最終電荷。 C1 C2 C3 + V -C1 C2 C3 + V1 -+ V2 -+ V3 -圖4.3. 電荷轉移後重新分配 如圖4.3 所示,當電荷轉移後重新分配,可以下式(4.6)表示

(

)

1 1 2 2 3 3 1 2 3 C V⋅ +C V⋅ +C V⋅ = C +C +CV (4.6) Cs Q3 Q4 Q2 Q1 Co Vs Cs Q3 Q4 Q2 Q1 Co Vs Vo Vo Phase Φ Phase Φ Phase Φ' Phase Φ' io io 圖4.4. 電荷泵式直流對直流轉換器電路動作 (a)Q2、Q4 導通 (b) Q1、Q3 導通 以下說明電荷泵式直流對直流轉換器的輸出電壓 Vo和輸入電壓 Vs之間 的關係,從理想狀態的分析到非理想狀態的分析中,得到各元件的參數(電 容值、切換週期、輸出電流及電晶體開關的內阻等)對輸出電壓 Vo的影響。

(50)

38 首先考慮理想狀態如圖4.4 所示,電路動作敘述如下: 當時脈相位為φ時,電晶體開關Q2 和 Q4 導通,於是電壓 Vs對電容 Cs充電 到 Vs值,當時脈相位為φ'時,電晶體開關Q1 和 Q3 導通,儲存在電容 Cs的電荷會有部分流到輸出電容 Co上,當時脈相位切換回φ時,電壓 Vs對電容 Cs再充電到 Vs值,當時脈相位再度切換為φ',電容 Cs又有部分電荷流到輸 出電容 Co上,但本來的輸出電容 Co就存在電荷,於是電荷就在輸出電容 Co 中累積,最後充電至 2Vs。於是由時脈相位的切換中,可將輸入電壓和輸出 電壓表示成[20]:

(

VoVs

)

Cs =V Css (4.7) 或 2 o s V = V (4.8) Vo Vo1 Vo2 Vo3 Q2、Q4導通 Phase Φ T/2 T t 0 3T/2 Q2、Q4導通 Phase Φ Q1、Q3導通 Phase Φ' 圖4.5. 電荷泵式直流對直流轉換器穩態輸出電壓波形 考慮非理想狀態:如圖4.5 所示,當時脈相位φ結束(Vo =Vo3)到時脈 相位φ'開始的瞬間(Vo =Vo1),此時

(

)

3 1 1 s s o o s o s o o C V⋅ +C V⋅ =C VV +C V⋅ (4.9) 當時脈相位為φ'時(V 從o V 下降到o1 V )o2 ,此時

(

)

(

1 2

)

2 o s o o o T C +CVV = ⋅ (4.10) i 其中 io為輸出電壓、T 為電晶體開關的切換週期。當時脈相位為φ時(V 從o Vo2 下降到Vo3,輸出電容 Co放電,電容 Co再度充電到,此時

(51)

39

(

2 3

)

2 o o o o T CVV = ⋅i (4.11) 聯立式(4.9)、式(4.10)、式(4.11)可解得

(

)

1 2 3 ( ) 2 , 2 2 ( ) 2 , = ~ 2 3 ( ) 2 , = ~ 2 2 o o o o s s s o o o o s s o o o o s s o i T i T T V t V V t C C C i T T V t V V t T C i T i T T V t V V t T C C ⋅ ⋅ ⎧ = = + =+ ⎪ ⎪ ⋅ ⎪ = = ⎨ ⎪ ⎪ = = − − ⎪ ⎪⎩ (4.12) 將圖4.5中時間 = ~3 2 2 T T t 的梯形面積取平均值,可以得到輸出電壓Vo均 值Vo

(

)

1 2 2 3 1 2 2 2 2 8 8 o o o o o o o o s s s o o V V V V i T i T i T V V C C C C + + ⋅ ⋅ ⋅ ⎛ ⎞ = + = − + − + ⎝ ⎠ (4.13) 將漣波電壓(ripple voltage)的情況考慮進去,定義漣波電壓 2 r s o V V V Δ = − ,則

(

)

2 8 o 8 o o o o r s o s s i T i T i T V V V C C C C ⋅ ⋅ ⋅ Δ = − = − + + (4.14) 令 o s C =xC (4.15) 其中x為常數,代入式(4.14)可得

(

)

1 1 1 8 8 r o s s s s V i T C C xC xC Δ = + ⋅ +

(

)

(

)

2 1 1 1 1 8 8 1 1 8 1 8 8 1 s s x x C x x C x x ⎡ ⎤ ⎛ ⎞ + + = ⎜+ + ⎟= ⎢ + ⎥ ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ (4.16) 所以

(

)

2 1 8 8 1 8 1 r o s V x x i T C x x ⎡ ⎤ Δ = + + ⎢ ⎥ ⋅ + (4.17) 又令

(

1

)

to s o s s s C =C +C =C +xC =C +x (4.18) 並代入式(4.16),可得 2 8 8 1 8 r o to V x x i T x C Δ = + + ⋅ ⋅ (4.19)

(52)

40 則 2 8 8 1 8 to r o C x x V x i T + + = Δ ⋅ (4.20) 令 2 8 8 1 8 x x A x + + = ,計算C 的最佳值,即to dA 0 dx = 則 1 1 2 0 8x − = (4.21) 由式(4.21)得出 1 8 x= ,並代入式(4.17)得 1.2612 o s r i T C V ⋅ = ⋅ Δ (4.22) 根據所需要的漣波電壓ΔVr流 io換週期 T 設計電容 Cs輸出電容Co的值。 Cs Q3 Q4 Q2 Q1 Co Vs Cs Q3 Q4 Q2 Q1 Co Vs Rds Rds Rds Rds Phase Φ Phase Φ Phase Φ' Phase Φ' Vo Vo io io 圖4.6. 電荷泵式直流對直流轉換器電路動作-考慮電晶體開關的內阻 (a)Q2、Q4 導通 (b) Q1、Q3 導通 考慮電晶體開關的內阻: 當電晶體開關的汲極(drain)和源極導通時,會有內阻 Rds假設電晶體 開關的責任週期是50%,在一個週期 T 轉移到輸出端的電荷為 o o Q = ⋅i T (4.23) 當時間為 2 T 時,輸出端的電荷是由電容 Cs轉移的,此時Q1、Q3 導通,

數據

圖 3.5. Wu 電荷泵(NCP-1)[20]
圖 5.1. IR2111 腳位
表 5.1. IR2111 腳位敘述  腳位  敘述
圖 5.10.  實體的獵能裝置之升壓型電荷泵轉換電路

參考文獻

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F., “A neural network structure for vector quantizers”, IEEE International Sympoisum, Vol. et al., “Error surfaces for multi-layer perceptrons”, IEEE Transactions on

[7]Jerome M .Shapiro “Embedded Image Using Zerotree of Wavelet Coefficients”IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL,41,NO.12,DECEMBER 1993. [8 ]Amir Said Willam