CN101674008A - 可调整输出电流的放电控制装置 - Google Patents

Abstract

一种可调整输出电流的放电控制装置，用以提供一输出电流至一负载，包括：具有至少一磁性电容且输出一蓄电电压的一蓄电单元；用以将蓄电电压转换输出成一放电电压给负载的一直流电源转换器；受控于一开关信号而来接收输出电流及输出一反馈电压的一反馈网络；用以输出开关信号给反馈网络且接收反馈电压与一参考电压的一运算放大器，且开关信号是受参考电压的控制；用以输入一设定信号的一输入接口；根据设定信号来产生参考电压的控制单元，而其中反馈电压为输出电流在反馈网络中的一输出电阻所产生的电压信号。

Description

可调整输出电流的放电控制装置

技术领域

本发明涉及一种放电控制装置，特别涉及一种可控制输出电流放电的可调整输出电流的放电控制装置。

背景技术

电源于输出时可以根据负载特性的需求，而提供定电压输出或定电流输出的放电方式供负载使用。以定电流控制技术而言是不管负载阻抗变化会自动调整电压以维持供应一定的电流。而定电流控制一般而言应用于LED照明、电池充电器、马达控制、背光模块电流控制器或电阻转换成电压的电路中，故根据定电流输出的场合而言，根据不同的负载状况定电流输出功率可能是大功率或是低功率，然而对于现有定电流输出控制电路而言主要受限于供电来源使用的电源，而在定电流控制输出时通常无法瞬间提供大电流供负载端使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于提供一种可调整输出电流的放电控制装置，以解决现有定电流输出装置无法瞬间提供大电流输出的问题。因此本发明的目的提供一蓄电单元以作为电流输出的电源，且蓄电单元使用磁性电容，由磁性电容具有大能量储存密度及高功率输出的技术特点，以使放电控制装置可以瞬间输出大电流供负载使用。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一种方案，提供一种可调整输出电流的放电控制装置，用于提供一输出电流至一负载，包括：一蓄电单元、一直流电源转换器、一反馈网络、一运算放大器、一输入接口及一控制单元。其中蓄电单元是具有至少一磁性电容且输出一蓄电电压；直流电源转换器(DC/DCconverter)耦接于蓄电单元，且用以将蓄电电压转换输出成一放电电压给负载使用；反馈网络耦接于负载的输出端，且受控于一开关信号而来接收输出电流及输出一反馈电压给运算放大器；运算放大器用以输出开关信号给反馈网络，且接收反馈电压与一参考电压，并且开关信号是受参考电压的控制；输入接口则是用以输入一设定信号；控制单元分别耦接于直流电源转换器、输入接口及运算放大器，且根据设定信号来产生参考电压，而其中的反馈电压为该输出电流在反馈网络中的一输出电阻所产生的电压信号。

在本发明的实施例中，磁性电容包括：一第一磁性电极、一第二磁性电极及一介电层，其中介电层是设置于第一磁性电极与第二磁性电极之间，且介电层是用以储存电能，以及第一磁性电极与第二磁性电极是分别具有多个磁偶极以避免储存于介电层中的电能漏电。

为了解决上述技术问题，根据本发明的又一种方案，提供一种可调整输出电流的放电控制装置，用于提供一输出电流至一负载，包括：一蓄电单元、一直流电源转换器、一电流镜电路、一输入接口及一控制单元。蓄电单元是具有至少一磁性电容且输出一蓄电电压；直流电源转换器耦接于蓄电单元且将蓄电电压转换输出成一放电电压给负载；电流镜电路耦接于负载的输出端，并用以根据一参考电流来映像该输出电流，并且参考电流是由一参考电压控制；输入接口是用以输入一设定信号；控制单元分别耦接于直流电源转换器、输入接口及运算放大器，并根据设定信号来产生参考电压。

因此通过上述实施方式，控制单元是根据设定信号来使蓄电单元可以根据负载的不同而来调整输出电流的大小，以使得供负载使用的输出电流可以被控制，且输出电流是可以被控制在一定电流而不受负载高低所影响，或是瞬间输出大电流供负载使用，此外蓄电单元中的蓄电组件为磁性电容，以使本发明可以瞬间提供大电流的输出电流给负载使用。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明实施例的一可调整输出电流的放电控制装置的功能方块图；

图2为本发明蓄电单元的示意图；

图3为本发明实施例的一磁性电容的示意图；

图4为本发明另一实施例的一磁性电容的示意图；

图5为本发明另一实施例的一可调整输出电流的放电控制装置的功能方块图；

图6为本发明又一实施例的一可调整输出电流的放电控制装置的功能方块图；以及

图7为本发明再一实施例的一可调整输出电流的放电控制装置的功能方块图。

其中，附图标记

1a、1b、1c、1d可调整输出电流的放电控制装置

10蓄电单元

101蓄电组件

12直流电源转换器

13、13a反馈网络

14电压检测器

15数字模拟转换器

16控制单元

17输入接口

18运算放大器

19负载

2磁性电容

20介电层            22第一磁性电极

24第二磁性电极      26、28磁偶极

3磁性电容

30介电层            31、33磁偶极

32第一磁性电极

320第一隔离层       322第一磁性层

324第二磁性层

34第二磁性电极

340第二隔离层       342第三磁性层

344第四磁性层

35、36磁偶极

具体实施方式

本发明提供一种可调整输出电流的放电控制装置，主要是可以根据负载端需求来提供其所需的电流大小，并且本发明是可以瞬间供给大电流给负载使用，而为了达到此要求本发明特别采用磁性电容(Magnetic Capacitor)来作为对负载端放电所需的能量储存组件，而本发明所指的磁性电容相较于一般电容是由上、下电极处形成的磁场，来抑制漏电流，以达大幅提升能量储存密度及具高功率输出的效果。

接下来请参阅图1，其为本发明实施例的一可调整输出电流的放电控制装置的示意图。本实施例所述的可调整输出电流的放电控制装置1a(以下简称放电控制装置)包括有一蓄电单元10、一直流电源转换器12(DC/DCconverter)、一反馈网络13、一电压检测器14、一数字模拟转换器(DAC)15、一控制单元16、一输入接口17及一运算放大器18，并由此架构来控制蓄电单元10的电流输出可以符合负载19的要求，以使流经负载19端的输出电流Io大小可以被控制，例如本实施例可于不同负载19时，控制输出电流Io为一定电流。

接下来请参阅图2，并一并参阅图1，蓄电单10元在本实施例中提供对负载19端电流放电所需的供电来源，而蓄电单元10中由多个蓄电组件101以串联及/或并联的方式来提供一蓄电电压Vbat，而此蓄电组件101的数量及连接方式并不以第二图所示为限，蓄电单元10中的蓄电组件101可以是一个或是一个以上，蓄电组件101的数量是取决于负载19端所需的电流来决定。另蓄电单元10中的蓄电组件101采用磁性电容来实施，而至于磁性电容的具体构造将于后面说明中有详细介绍，在此先不予以说明。

直流电源转换器12耦接于蓄电单元10的输出端，并根据控制单元16的控制用来将蓄电电压Vbat转换输出成一放电电压Vout供负载19使用。此直流电源转换器12在本实施例以升降压电源转换器(Boost-buck converter)作为举例说明，因此蓄电电压Vbat经过直流电源转换器12的电压调整之后所输出的放电电压Vout可以是高于或低于蓄电电压Vbat。但本实施例的直流电源转换器12亦可以是升压电源转换器(Boost converter)或降压电源转换器(Buck converter)，以使放电电压Vout可以被进行升压或降压的放电处理。

电压检测器14耦接于蓄电单元10，其主要是用来检测蓄电电压Vbat的电压状况，并且将检测结果输出给控制单元16。

控制单元16分别耦接于直流电源转换器12、电压检测器14、数字模拟转换器15及输入接口17，并用来对放电控制装置1a的整体进行电流放电的控制，以使蓄电单元10可以经过适当的放电控制，而来提供负载19端所需的电流值。其中控制单元16的电流放电控制方式是从输入接口17取得一设定信号，此设定信号可由使用者输入，或可由连接到输入接口17的其它装置或程序来产生，其用来设定供给负载19使用的电流为多少，控制单元16即根据此设定信号而通过数字模拟转换器15输出一参考电压Vref给运算放大器18，以使运算放大器18输出一开关信号给反馈网络13。而本实施例在此将运算放大器18操作使用于非反相放大器的功能，并由调整输出给运算放大器18的参考电压Vref的大小，而来控制负载19端的输出电流Io。

而本实施例的控制单元16如何根据接收到的设定信号来产生相对的参考电压Vref，其可以通过公式方式运算或者是通过查表的方式找出。例如以公式运算的方式而言，此设定信号主要是用来设定供给负载19的输出电流Io为多少，因此此公式可以是一奥姆定律公式；而若以查表方式而言，此设定信号可以是输入数值，且控制单元16相对提供一对照表，以查询此输入数值在对照表中所对应的参考电压Vref值。而控制单元16根据设定信号所产生的参考电压Vref由于是一数字数据，故必需先经过数字模拟转换器15转换成模拟值的后才输入给运算放大器18。

反馈网络13是耦接于负载19的输出端，主要是提供负载19的输出电流Io有一导通回路，且反馈电路13中是具有一开关单元及一电阻回路。其中开关单元是指晶体管Q1及Q2，在此晶体管Q1及Q2分别以接面场效晶体管(JFET)及双载子接面晶体管(BJT)作为举例说明；电阻回路是指电阻R1、R2。而根据反馈网络13的架构，输出电流Io将在电阻R1产生一反馈电压Vfb的压降，此电阻R1在本实施例的作用是作为输出电阻(以下并以此名称界定电阻R1)，并且用以输出反馈电压Vfb给运算放大器18。而反馈网络13中的开关单元是用来控制输出电流Io是否可以流经输出电阻R1，例如当开关单元导通时，输出电流Io即可流经输出电阻R1。

运算放大器18的输出端耦接于反馈网络13中的开关单元的部分，运算放大器18的输出端并可输出一开关信号，以对反馈网络13中的开关单元进行控制。而运算放大器18的输出端所输出的开关信号是由运算放大器18的输入端所输入的信号决定，其中运算放大器18的正输入端耦接于数字模拟转换器15的输出端并输入有一参考电压Vref，运算放大器18的负输入端耦接至输出电阻R1并输入有反馈电压Vfb。因此根据运算放大器18所连接电路的架构，只要参考电压Vref是为大于零的正电压，则运算放大器18输出的开关信号即为将参考电压以一放大比例进行放大，故此时反馈网络13中的开关单元将导通，而再根据运算放大器18具有虚接地(virtual ground)的特性，因此参考电压Vref与反馈电压Vfb的电压值可以视为相等，而由于输出电流Io的电流值为将反馈电压Vfb除以输出电阻R1的电阻值所得，换言之通过控制参考电压Vref的大小即可对输出电流Io的大小进行控制，例如参考电压越大则输出电流Io跟着变大，故本实施例即通过此种方式来控制流经负载19的输出电流Io的大小。

另外控制单元16可以从电压检测器14的检测结果来得知蓄电单元10提供的蓄电电压Vbat，并且根据负载19端的需求，而来控制直流电源转换器12作升压或降压的电压调整，以使放电电压Vout可以符合负载19端的需求。

输入接口17则是用来供输入设定信号，且此设定信号为输入接口17与控制单元16两者之间定义好可供辨识的信号，此输入接口17的实施方式可以是通过键盘、鼠标、手写板、触控板、声音辨识装置或是计算机装置等，但本发明输入接口17并不以此为限，凡是可以通过一装置来输入设定信号给控制单元16且此设定信号能被控制单元16辨识均是本发明的均等实施态样。

接下来将具体说明磁性电容的构成，并请参阅图3，其为本发明实施例的一磁性电容示意图。如图3所示磁性电容2(magnetic capacitor)包括一介电层20、一第一磁性电极22及一第二磁性电极24，其中介电层20设置于第一磁性电极22与第二磁性电极24之间，以于在第一磁性电极22与第二磁性电极24处累积电荷以储存电位能，且第一磁性电极22与第二磁性电极24由具有磁性导电材料所构成，并可由对第一磁性电极22与第二磁性电极24外加电场进行磁化，而使第一磁性电极22与第二磁性电极24内分别形成磁偶极(magnetic dipole)26、28，如此可以在磁性电容2中构成一磁场而来对带电粒子的移动造成影响，因此使得磁性电容2中的介电层20可以用来储存电能及由磁偶极26、28形成的磁场来避免电能漏电。

前述第一磁性电极22与第二磁性电极24的材质可以为稀土元素，介电层20由氧化钛(TiO3)、氧化钡钛(BaTiO3)或一半导体层，例如氧化硅(siliconoxide)所构成，然而本发明并不限于此，第一磁性电极22、第二磁性电极24与介电层20均可视产品的需求而选用适当的其它材料。另外图3中第一磁性电极22与第二磁性电极24中的箭头用来表示磁偶极26、28，磁偶极26、28实际上由多个整齐排列的微小磁偶极所叠加成，然而对于本领域技术人员而言，本实施例对于磁偶极26、28的形成方向并无限定，如可以指向同一方向或不同方向。

根据前述说明，前述图3所示的磁性电容2，其原理主要是利用第一磁性电极22与第二磁性电极24中整齐排列的磁偶极26、28来形成磁场，以使得介电层20中储存的电荷朝同一自旋方向转动，而进行整齐且紧密的排列，因此在介电层20中即可以容纳更多的电荷，进而增加磁性电容2的电能储存密度。由于现有电容中，电容值C由电容的面积A、介电层的介质常数ε₀ε_r及厚度d决定，如下公式(一)，因此模拟于现有电容，本实施例的磁性电容2相当于由磁场的作用来改变介电层的介电常数，故而造成电容值的大幅提升。

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}A}{d}$ ………公式(一)

在此要特别强调，本实施例的磁性电容2储存的能量全部是以电位能的方式进行储存，相较于主要以化学能储存的其它能量储存媒介(例如传统电池或超级电容)，本实施例所述的磁性电容2除了具有可匹配的能量储存密度外，更因充分保有电容的特性，而具有寿命长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点，故可有效解决当前电池所遇到的各种问题。且由于现有储能组件多半以化学能的方式进行储存，因此都需要有一定的尺寸，否则往往会造成效率的大幅下降。相较于此，本实施例的磁性电容2是以电位能的方式进行储存，且因所使用的材料可适用于半导体制程，故可由适当的半导体工艺来形成磁性电容2以及周边电路连接，进而缩小磁性电容2的体积与重量，由于此制作方法可使用一般半导体工艺，其应为本领域技术人员所熟知，故在此不予赘述。

请参阅图4，其为本发明另一实施例的一磁性电容的示意图。磁性电容3包括一介电层30、一第一磁性电极32与一第二磁性电极34，其中介电层30设置于第一磁性电极32与第二磁性电极34之间。第一磁性电极32还包括有一第一隔离层320、一第一磁性层322及一第二磁性层324，第一隔离层320是设置于第一磁性层322与第二磁性层324之间。第二磁性电极34还包括一第二隔离层340、一第三磁性层342及一第四磁性层344，第二隔离层340是设置于第三磁性层342与第四磁性层344之间。第一隔离层320与第二隔离层340均是由非磁性材料所构成。

图4所示的磁性电容3的操作原理与图3所示的磁性电容2相同，一样是通过外加电场于第一磁性层322、第二磁性层324、第三磁性层342与第四磁性层344，而使第一磁性层322、第二磁性层324、第三磁性层342与第四磁性层344中分别形成磁偶极(magnetic dipole)31、33、35、36。因此磁性电容3在磁化过程中，可以由不同的外加电场，例如使第一磁性层322与第二磁性层324中的磁偶极31、33分别具有不同的方向，以及使第三磁性层342与第四磁性层344中的磁偶极35、36分别具有不同的方向，如此能进一步抑制磁性电容3的漏电流。同样本实施例对于磁偶极31、33、35、36的形成方向并无限定，如可以指向同一方向或不同方向。

在此特别强调，前述的第一磁性电极32及第二磁性电极34的结构并不限于前述的三层结构，而可以类似的方式，以多个磁性层与非磁性层不断交错堆栈，再由各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制磁性电容3的漏电流，以达到几乎无漏电流的效果。

故对于前述图1所揭示的架构，其中蓄电单元10中的蓄电组件101采用磁性电容，而根据前述磁性电容的特点，本实施例将其应用在放电控制装置1a中，同时配合放电控制装置1a对于输出电流Io的控制，将可以满足不同情况下各种负载19对于输出电流Io的需求。例如通过本实施例所述的架构将允许瞬间即可提供大电流的输出给负载19使用，此技术特点为本发明有别于现有放电控制装置的主要差异之一；此外本实施例也可以在不同负载19时控制输出电流Io维持在一定电流输出。

接下来请再参阅图5，其为本发明另一实施例的一可调整输出电流的放电控制装置的功能方块图。图5所示的放电控制装置1b相较于图1的架构说增设一分流电阻R3，此分流电阻R3与反馈网络13并联连接，而由于分别电阻R3与输出电阻R1之间的电阻比例将用来决定输出电流Io中分别有多少电流流经分流电阻R3与输出电阻R1，因此根据图5所示的架构将使控制参考电压Vref来调整输出电流Io具有更弹性的调整空间。

请再参阅图6所示，其为本发明又一实施例的一可调整输出电流的放电控制装置的功能方块图。图6所示的放电控制装置1c的反馈网络13a相对于图1是以另一种电路设计方式来实现，反馈网络13a中的开关单元包括晶体管Q3，此晶体管Q3以金氧半场效晶体管(MOSFET)举例作明，而图6所述的架构亦可过控制参考电压Vref而来调整输出电流Io，此动作原理与前述图1架构相同，故在此不予以赘述。

请再参阅图7所示，其为本发明再一实施例的一可调整输出电流的放电控制装置的功能方块图。此放电控制装置1d将图1中的运算放大器15及反馈网络13的部份改以电流镜电路11作取代，此电流镜电路11分别与数字模拟转换器15及负载19耦接，且在电流镜电路11产生参考电流Iref的一端的输入偏压是由数字模拟转换器15输出参考电压Vref提供，而在电流镜电路11中用以映像参考电流Iref的另一端则是耦接于负载19的输出端且接收一输出电流Io，而此输出电流Io即根据一定的比例对参考电流Iref源映像，由于电流镜电路11属于该领域技术人员所知悉的技术，因此在此不再对电流镜原理进行说明。另外由于放电控制装置1d中除电流镜电路11以外的动作方式亦与图1放电控制装置相对部份相同，因此关于这部份的说明亦不予以赘述。

因此在图7中，基于参考电流Iref是可由参考电压Vref对其控制，且输出电流Io亦是从参考电流Iref以一定比例映射得来，故由控制参考电电压Vref即可对输出电流Io进行有效的控制。

因此经由前述实施例说明，当可知悉本发明主要是由磁性电容具有高能量密度及高功率输出的技术特点，而使得蓄电单元10可以符合各种负载19的需求以提供其所需的输出电流Io，且此输出电流Io是可以被精准控制是要输出多少电流供负载19使用，此输出电流可以是固定值也可以是变动值，故通过本发明所述的架构得以实现自行控制输出给负载19使用的电流大小，且此电流大小是可以瞬间即提供大电流来供负载使用。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (14)

1、一种可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，用以提供一输出电流至一负载，包括：

一蓄电单元，具有至少一磁性电容，并用以输出一蓄电电压；

一直流电源转换器，耦接于该蓄电单元，并用以将该蓄电电压转换输出成一放电电压给该负载；

一反馈网络，耦接于该负载的输出端，且受控于一开关信号而来接收该输出电流及输出一反馈电压；

一运算放大器，用以输出该开关信号给该反馈网络，且接收该反馈电压与一参考电压，而该开关信号是受该参考电压的控制；

一输入接口，用以输入一设定信号；以及

一控制单元，耦接于该直流电源转换器、该输入接口及该运算放大器，该控制单元并根据该设定信号来产生该参考电压；

其中该反馈电压为该输出电流在该反馈网络中的一输出电阻所产生的电压信号。

2、根据权利要求1所述的可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，其中该磁性电容包括：

一第一磁性电极；

一第二磁性电极；以及

一介电层，设置于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间；

其中该介电层用以储存电能，以及该第一磁性电极与该第二磁性电极分别具有多个磁偶极以避免储存于该介电层中的电能漏电。

3、根据权利要求2所述的可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，其中该第一磁性电极包括：

一第一磁性层；

一第二磁性层；以及

一第一隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第一磁性层与该第二磁性层之间；以及

其中该第二磁性电极包括：

一第三磁性层；

一第四磁性层；以及

一第二隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第三磁性层与该第四磁性层之间。

4、根据权利要求1所述的可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，其中该直流电源转换器为升降压电源转换器、升压电源转换器或降压电源转换器，以及该输入接口为键盘、鼠标、手写板、触控板、声音辨识装置或计算机装置。

5、根据权利要求1所述的可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，其中该输入接口所输入的该设定信号为可供该控制单元辨识的信号，以及该控制单元所产生的该参考电压将该设定信号通过查表方式或通过公式运算得知。

6、根据权利要求1所述的可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，其中该控制单元通过一数字模拟转换器来输出该参考电压，以及该运算放大器的一正输入端是接收该参考电压，该运算放大器的一负输入端是接收该反馈电压。

7、根据权利要求1所述的可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，其中该反馈网络中还包括一开关单元，该开关单元用来接收该开关信号，且用来控制该反馈网络的导通。

8、根据权利要求1所述的可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，还包括：

一分流电阻，与该反馈网络并联。

9、一种可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，用以提供一输出电流至一负载，包括：

一蓄电单元，具有至少一磁性电容，并用以输出一蓄电电压；

一直流电源转换器，耦接于该蓄电单元，并用以将该蓄电电压转换输出成一放电电压给该负载；

一电流镜电路，耦接于该负载的输出端，并用以根据一参考电流来映射该输出电流，且该参考电流是由一参考电压控制；

一输入接口，用以输入一设定信号；以及

一控制单元，耦接于该直流电源转换器、该输入接口及该运算放大器，该控制单元并根据该设定信号来产生该参考电压。

10、根据权利要求9所述的可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，其中该磁性电容包括：

一第一磁性电极；

一第二磁性电极；以及

一介电层，设置于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间；

其中该介电层用以储存电能，以及该第一磁性电极与该第二磁性电极分别具有多个磁偶极以避免储存于该介电层中的电能漏电。

11、根据权利要求10所述的可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，其中该第一磁性电极包括：

一第一磁性层；

一第二磁性层；以及

一第一隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第一磁性层与该第二磁性层之间；以及

其中该第二磁性电极包括：

一第三磁性层；

一第四磁性层；以及

一第二隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第三磁性层与该第四磁性层之间。

12、根据权利要求9所述的可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，其中该直流电源转换器为升降压电源转换器、升压电源转换器或降压电源转换器，以及该输入接口为键盘、鼠标、手写板、触控板、声音辨识装置或计算机装置。

13、根据权利要求9所述的可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，其中该输入接口所输入的该设定信号为可供该控制单元辨识的信号，以及该控制单元所产生的该参考电压将该设定信号通过查表方式或通过公式运算得知。

14、根据权利要求9所述的可调整输出电流的放电控制装置，其特征在于，其中该控制单元通过一数字模拟转换器来输出该参考电压。

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