本發(fā)明關(guān)于一種用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置及方法，更精確的說，是關(guān)于一種藉由對(duì)電荷泵的輸出電壓進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤，并對(duì)應(yīng)調(diào)整操作頻率以使能量采集設(shè)備的功率最佳化的裝置及方法。

背景技術(shù)：

能量獵取、采集(energy harvesting)技術(shù)在各領(lǐng)域中已經(jīng)使用了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，此技術(shù)主要目的為獵取大自然中的能量，例如光(light)、熱(Thermal)、電磁(Electromagnetic)或是震動(dòng)(Vibration)能。此類能量和綠色能源(Green power)取得方式相似，但不同的是能量采集技術(shù)的對(duì)象通常是相當(dāng)微小的能量來源。

隨著集成電路(integrated circuit)設(shè)計(jì)的進(jìn)步和網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達(dá)，穿戴(wearable)式裝置和物聯(lián)網(wǎng)(internet of thing,IoT)的應(yīng)用越來越受到重視，而這兩項(xiàng)應(yīng)用和能量采集技術(shù)也密切相關(guān)。以物聯(lián)網(wǎng)為例，通常需要相當(dāng)多的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)感測(cè)節(jié)點(diǎn)(wireless sensor network,WSN)來檢測(cè)和傳送資料，因此數(shù)目龐大的WSN若能從所處位置直接的獵取所需能量，不再依賴有線電網(wǎng)或是更換電池提供能量，將是非常值得投注心力的一項(xiàng)技術(shù)。另外穿戴式產(chǎn)品通常體積較小，如果大部分時(shí)間的能量都能夠由外部取得，也可以大幅度的降低對(duì)電池的需求。好處是電池體積可以縮小，減少充電時(shí)間，采集到的能量若是多于目前操作所需能量也可將多余的能量?jī)?chǔ)存于電池之中。

為了得到環(huán)境中的能量，必須有一個(gè)轉(zhuǎn)換器(transducer)將前述的光、熱等能量轉(zhuǎn)換為IC能夠處理的電壓、電流信號(hào)。以光為例，可利用太陽(yáng)能電池(solar cell)做轉(zhuǎn)換，如圖1A所示，可知轉(zhuǎn)換后的曲線并非線性，與一般的理想電壓、電流源差異很大。并且其功率曲線有一最大值，稱為最大功率點(diǎn)MPP(maximum power point,MPP)。由此可知若是想要得到最大的功率，則其后所接的電源轉(zhuǎn)換器(power converter)必須能夠時(shí)時(shí)刻刻的將工作點(diǎn)保持在此最大功率點(diǎn)(maximum power point tracking,MPPT)。圖1B是壓電轉(zhuǎn)換震動(dòng)能的電壓對(duì)電流和功率曲線，雖然特性和太陽(yáng)能電池不同，但相同的都有一個(gè)最大功率點(diǎn)。

轉(zhuǎn)換器將能量轉(zhuǎn)換為電能信號(hào)后，將由電源轉(zhuǎn)換器(power converter)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所能運(yùn)用的電壓、電流范圍。以一般應(yīng)用而言此轉(zhuǎn)換后的能量相當(dāng)微小，所以使用的電源轉(zhuǎn)換器的效率必須相當(dāng)高。直流切換式電源轉(zhuǎn)換器(DC/DC switching converter)的效率是相當(dāng)高的。很多應(yīng)用也大多用此類轉(zhuǎn)換器，例如降壓型直流轉(zhuǎn)換器(buck converter)可應(yīng)用于太陽(yáng)能電池和震動(dòng)能源，而升壓型直流轉(zhuǎn)換器(boost converter)可應(yīng)用于太陽(yáng)能電池和熱能源。此類轉(zhuǎn)換器雖然效率夠高，但是此類切換式電源轉(zhuǎn)換器不可避免的需要一個(gè)體積較大的電感當(dāng)作儲(chǔ)能元件。但是較大面積的元件將不利于穿戴式的產(chǎn)品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置，其包含電荷泵、電壓比較單元、輸出開關(guān)、計(jì)數(shù)器及頻率控制模組。電荷泵包含輸入端、輸出端及控制端，電荷泵自輸入端接收能量采集設(shè)備的輸入電壓，并根據(jù)操作頻率自輸出端輸出輸出電壓。電壓比較單元連接于電荷泵的輸出端，以將電荷泵的輸出端的電壓與參考電壓比較，當(dāng)電荷泵的輸出端的電壓到達(dá)參考電壓，輸出第一比較信號(hào)。輸出開關(guān)連接于電荷泵的輸出端及儲(chǔ)電單元之間，其根據(jù)第一比較信號(hào)在導(dǎo)通狀態(tài)及關(guān)斷狀態(tài)之間切換。計(jì)數(shù)器連接于電壓比較單元的輸出端以接收第一比較信號(hào)，并紀(jì)錄在電壓累積時(shí)間內(nèi)，在不同的操作頻率電荷泵的輸出端的電壓分別到達(dá)參考電壓的次數(shù)，并產(chǎn)生復(fù)數(shù)個(gè)計(jì)數(shù)結(jié)果。頻率控制模組連接于計(jì)數(shù)器及控制端之間，其比較相鄰二電壓累積時(shí)間的該等計(jì)數(shù)結(jié)果產(chǎn)生比較結(jié)果，并根據(jù)比較結(jié)果控制電荷泵的操作頻率。

較佳者，頻率控制模組可包含計(jì)數(shù)暫存器、比較器及頻率控制單元。計(jì)數(shù)暫存器可儲(chǔ)存計(jì)數(shù)器在相鄰二電壓累積時(shí)間內(nèi)分別產(chǎn)生的該等計(jì)數(shù)結(jié)果。比較器可比較該等計(jì)數(shù)結(jié)果并輸出第二比較信號(hào)。頻率控制單元可連接于比較器及控制端之間，其中，當(dāng)該等計(jì)數(shù)結(jié)果的后者大于前者，頻率控制單元可根據(jù)第二比較信號(hào)控制操作頻率上升，當(dāng)該等計(jì)數(shù)結(jié)果的后者小于前者，頻率控制單元可根據(jù)第二比較信號(hào)控制操作頻率下降。

較佳者，頻率控制單元包含數(shù)字比較器(digital comparator)及數(shù)值控制振蕩器，其中數(shù)字比較器可經(jīng)配置以比較等計(jì)數(shù)暫存器內(nèi)的數(shù)值，數(shù)值控制振蕩器可經(jīng)配置以依據(jù)數(shù)字比較器的結(jié)果累計(jì)或降低數(shù)值控制振蕩器的頻率以控制操作頻率。

較佳者，參考電壓可為輸出端的電壓加上預(yù)設(shè)電壓值。

較佳者，功率最佳化裝置可進(jìn)一步包含連接于計(jì)數(shù)器的低頻振蕩器，其可經(jīng)配置以產(chǎn)生電壓累積時(shí)間，以及相鄰二電壓累積時(shí)間之間的等待時(shí)間。

根據(jù)本發(fā)明的另一態(tài)樣，在于提供一種用于能量采集設(shè)備的功率最佳化方法，其適用于如前述的功率最佳化裝置，方法包含下列步驟：以電荷泵自輸入端接收能量采集設(shè)備的輸入電壓，并根據(jù)操作頻率自輸出端輸出輸出電壓；以電壓比較單元將電荷泵的輸出端的電壓與參考電壓比較，當(dāng)電荷泵的輸出端的電壓到達(dá)參考電壓，輸出第一比較信號(hào)；配置輸出開關(guān)以根據(jù)第一比較信號(hào)在導(dǎo)通狀態(tài)及關(guān)斷狀態(tài)之間切換；以計(jì)數(shù)器接收第一比較信號(hào)，并紀(jì)錄在電壓累積時(shí)間內(nèi)，在不同的操作頻率下，電荷泵的輸出端的電壓到達(dá)參考電壓的次數(shù)，并產(chǎn)生復(fù)數(shù)個(gè)計(jì)數(shù)結(jié)果；以及以頻率控制模組比較等電壓累積時(shí)間中相鄰二者的各計(jì)數(shù)結(jié)果產(chǎn)生比較結(jié)果，并根據(jù)比較結(jié)果控制電荷泵的操作頻率。

較佳者，在根據(jù)比較結(jié)果控制電荷泵的操作頻率的步驟中，可進(jìn)一步包含下列步驟：以計(jì)數(shù)暫存器儲(chǔ)存計(jì)數(shù)器在電壓累積時(shí)間中的相鄰二者所分別產(chǎn)生的計(jì)數(shù)結(jié)果；以比較器比較該等計(jì)數(shù)結(jié)果并輸出第二比較信號(hào)，若該等計(jì)數(shù)結(jié)果的后者大于前者，以頻率控制單元根據(jù)第二比較信號(hào)控制操作頻率上升，若該等計(jì)數(shù)結(jié)果的后者小于前者，以頻率控制單元根據(jù)第二比較信號(hào)控制操作頻率下降。

較佳者，在頻率控制單元根據(jù)第二比較信號(hào)控制操作頻率的步驟中，可進(jìn)一步包含下列步驟：配置數(shù)字比較器以比較等計(jì)數(shù)暫存器內(nèi)的數(shù)值；以及配置數(shù)值控制振蕩器以依據(jù)數(shù)字比較器的結(jié)果累計(jì)或降低數(shù)值控制振蕩器的頻率以控制操作頻率。

較佳者，參考電壓可為輸出端的電壓加上預(yù)設(shè)電壓值。

較佳者，在以計(jì)數(shù)器紀(jì)錄在電壓累積時(shí)間內(nèi)，電荷泵的輸出端的電壓到達(dá)參考電壓的次數(shù)的步驟中，可進(jìn)一步包含配置低頻振蕩器以產(chǎn)生電壓累積時(shí)間，以及相鄰二電壓累積時(shí)間之間的等待時(shí)間。

綜上所述，依本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置，其可具有一或多個(gè)下述優(yōu)點(diǎn)：

依本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置及方法，藉由在不同操作頻率下檢測(cè)系統(tǒng)的輸出電壓，得到增加或是降低電荷泵的操作頻率的演算結(jié)果，如此可動(dòng)態(tài)的根據(jù)能量采集設(shè)備所輸出至儲(chǔ)電單元的電壓，并考量操作頻率變動(dòng)造成的能量損耗，以進(jìn)行操作頻率的調(diào)整，進(jìn)而將系統(tǒng)的輸出功率最佳化。

此外，本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置及方法不需需要體積較大的電感作為儲(chǔ)能元件，亦不需耗費(fèi)能量進(jìn)行開路電壓的檢測(cè)，除體積小可靈活適用于穿戴式裝置外，亦不易受到環(huán)境溫度影響，而可持續(xù)使系統(tǒng)輸出功率最佳化。

附圖說明

本發(fā)明的上述及其他特征及優(yōu)勢(shì)將藉由參照附圖詳細(xì)說明其例示性實(shí)施例而變得更顯而易知，其中：

圖1A及1B為現(xiàn)有太陽(yáng)能電池及壓電轉(zhuǎn)換器的電壓對(duì)電流和功率曲線。

圖2A為根據(jù)本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置的實(shí)施例繪示的方塊圖。

圖2B及圖2C，其分別為根據(jù)本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置的實(shí)施例的電荷泵繪示的電路布局圖及其的等效電路圖。

圖2D及2E為本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置的能量采集設(shè)備ENG的等效電路及電壓對(duì)電流及功率曲線的方塊圖。

圖2F為在不同頻率下，輸出功率對(duì)輸入電壓的曲線圖。

圖2G為考量導(dǎo)通消耗(conduction loss)和動(dòng)態(tài)開關(guān)消耗(switching loss)后的功率曲線。

圖3為根據(jù)本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置的另一實(shí)施例繪示的電路布局圖。

圖4A為累積時(shí)間及等待時(shí)間的電壓變化示意圖。

圖4B為電荷泵輸出電壓和輸出電壓的相對(duì)關(guān)系圖

圖5為不同輸出電壓時(shí)頻率的變化對(duì)輸出功率的影響和收斂位置曲線圖。

圖6為根據(jù)本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置的電荷泵的另一實(shí)施例的示意圖。

圖7為根據(jù)本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置的再一實(shí)施例繪示的輸出電壓對(duì)時(shí)間的作圖。

圖8為根據(jù)本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置中，頻率操作單元的另一實(shí)施例的示意圖。

圖9為根據(jù)本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化方法的實(shí)施例繪示的流程圖。

附圖符號(hào)說明：

MPP：最大功率點(diǎn)

1、3：功率最佳化裝置

100、300：電荷泵

102、302：電壓比較單元

104、304：輸出開關(guān)

108、308：頻率控制模組

IN1：輸入端

OUT1：輸出端

CONT1：控制端

V_IN：輸入電壓

V_OUT：輸出電壓

R_CP：等效電阻

CP、CL：電容

D1、D2、D3：二極管

CLK：時(shí)脈信號(hào)

f：操作頻率

I_OUT：輸出電流

I_sc：短路電流

R_MP：內(nèi)電阻

I_IN：輸入電流

BAT：儲(chǔ)電單元

V_BAT：電壓

V_CP：電荷泵輸出電壓

COMP1、COMP2：比較器

SW：開關(guān)

Tacc：累積時(shí)間

NCO：數(shù)值控制振蕩器

OSC：低頻振蕩器

Twait：等待時(shí)間

REG1、REG2：暫存器

INT：模擬積分器

VCO：電壓控制震蕩器

S901-S908：步驟

具體實(shí)施方式

為利貴審查員了解本發(fā)明的技術(shù)特征、內(nèi)容與優(yōu)點(diǎn)及其所能達(dá)成的功效，茲將本發(fā)明配合附圖，并以實(shí)施例的表達(dá)形式詳細(xì)說明如下，而其中所使用的附圖，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發(fā)明實(shí)施后的真實(shí)比例與精準(zhǔn)配置，故不應(yīng)就所附的附圖的比例與配置關(guān)系解讀、局限本發(fā)明于實(shí)際實(shí)施上的權(quán)利范圍，合先敘明。

于此使用，詞匯“與/或”包含一或多個(gè)相關(guān)條列項(xiàng)目的任何或所有組合。當(dāng)“至少其一”的敘述前綴于一元件清單前時(shí)，是修飾整個(gè)清單元件而非修飾清單中的個(gè)別元件。

請(qǐng)參考圖2A，其為本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置的實(shí)施例繪示的方塊圖。如圖所示，本發(fā)明用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置1，其包含電荷泵100、電壓比較單元102、輸出開關(guān)104、計(jì)數(shù)器106及頻率控制模組108。電荷泵100包含輸入端IN1、輸出端OUT1及控制端CONT1，電荷泵100自輸入端IN1接收能量采集設(shè)備ENG的輸入電壓V_IN，并根據(jù)操作頻率f自輸出端OUT1輸出輸出電壓V_OUT。其中，能量采集設(shè)備ENG可為轉(zhuǎn)換器(transducer)，其可將光、熱等能量轉(zhuǎn)換為集成電路能夠處理的電壓、電流信號(hào)。例如，可為太陽(yáng)能電池(solar cell)，將光轉(zhuǎn)換為電壓及電流，或?yàn)閴弘娹D(zhuǎn)換器，將震動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電壓及電流。

對(duì)太陽(yáng)能電池而言，最大功率點(diǎn)不論光的強(qiáng)度是多少，如圖1A所示，大致上是落于0.7～0.8倍的開路電壓(Voc)之間，使用電路設(shè)計(jì)將太陽(yáng)能電池輸出端固定于0.7～0.8*Voc電壓是一種相當(dāng)簡(jiǎn)單，并且在多數(shù)情況下都能使太陽(yáng)能電池輸出最大功率的方法。此方式雖然簡(jiǎn)單但卻無(wú)法補(bǔ)償因?yàn)闇囟茸兓斐傻腣oc變化。其中，溫度變化對(duì)Voc及最大功率點(diǎn)的影響相當(dāng)巨大，使用定電壓源難以所有的溫度情況下得到最大功率。此外，若對(duì)應(yīng)開路電壓進(jìn)行調(diào)整，則需先檢測(cè)開路電壓大小，導(dǎo)致不必要的能量損失。

因此，本發(fā)明使用電荷泵形式的電源轉(zhuǎn)換器，例如，升壓型電荷泵(charge pump)相當(dāng)適合做為太陽(yáng)能電池和熱能量的電源轉(zhuǎn)換器，其不需大體積的電感，亦不易受到環(huán)境溫度影響。然而，需要說明的是，電荷泵形式的電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用在有較大內(nèi)阻具有最大功率點(diǎn)的能量采集設(shè)備ENG時(shí)，其輸出最大功率點(diǎn)并非和輸入最大功率點(diǎn)相同。因此，整體最大功率點(diǎn)的追蹤方式將在下文中詳細(xì)說明。

請(qǐng)參考圖2B及圖2C，其分別為電荷泵100的電路布局圖及其的等效電路圖。如圖所示，電荷泵100為常見的電荷泵，其包含復(fù)數(shù)個(gè)二極管D1、D2及D3以及復(fù)數(shù)個(gè)電容CP，其可通過時(shí)脈信號(hào)CLK控制復(fù)數(shù)個(gè)二極管D1、D2及D3的導(dǎo)通狀態(tài)并控制電荷泵100的操作頻率f，并輸出電荷泵輸出電壓V_OUT及輸出電流I_OUT。根據(jù)能量采集設(shè)備ENG的輸入電壓V_IN，可計(jì)算輸出電壓V_OUT如下式：

V_OUT＝(N+1)*V_IN-[N/(f*CP)]*I_OUT (1)

其中，N為電荷泵的階數(shù)，且上述電荷泵可進(jìn)一步等效如圖2C所示。且電荷泵100的等效電阻R_CP可進(jìn)一步計(jì)算如下式：

R_CP＝N/(f*CP) (2)

為了便于舉例說明，此處的能量采集設(shè)備ENG采用熱轉(zhuǎn)換器形式，其特性和太陽(yáng)能電池相近，并且電壓電流關(guān)系式有利于計(jì)算方便。其等效電路及電壓對(duì)電流及功率曲線如圖2D及2E所示。其中，短路電流I_sc及內(nèi)電阻R_MP相對(duì)關(guān)系如等效電路圖所示，其向電荷泵100輸入輸入電壓V_IN及輸入電流I_IN，其中，電壓電流關(guān)系式可計(jì)算如下式：

I_IN＝I_SC–(I_SC/V_OC)*V_IN (3)

因此，根據(jù)上述式(1)至(3)，輸入功率P_IN和輸出功率P_OUT之間的關(guān)系可計(jì)算如下式：

P_IN＝I_IN*V_IN＝[I_SC–(1/R_MP)*V_IN]*V_IN (4)

考量直接消耗在R_CP上的損耗功率P_LOSS，輸出功率可計(jì)算如下式：

P_OUT＝P_IN-P_LOSS＝P_IN-R_CP*[I_SC-V_IN/R_MP]²/(N+1)² (5)

因?yàn)镽_CP在不同頻率下有不同等的效電阻特性，此特性會(huì)消耗輸入的功率，所以盡管將輸入電壓位于最大輸入功率點(diǎn)也不見得能夠讓輸出得到最多的功率。請(qǐng)參考圖2F，其為在不同頻率下，輸出功率對(duì)輸入電壓的曲線圖。舉例來說，此MPP位置在V_IN＝2.5V，頻率160KHz的輸出功率狀況卻不如增加頻率至640KHz讓V_IN等于2V但小于MPP的位置，甚至V_IN小到1.5V的狀況和160KHz位于MPP的狀況所得到的輸出功率接近相同。所以能夠確定的是頻率越高輸出功率曲線越能夠趨近于輸入功率曲線，理論上當(dāng)頻率趨近于無(wú)限大時(shí)輸入曲線就是輸出曲線，效率為100％。

如圖2A所示，電荷泵100連接于儲(chǔ)電單元BAT與能量采集單元ENG之間，可接著考量實(shí)際狀況并推導(dǎo)最佳輸出功率。假設(shè)電荷泵100輸出是對(duì)電池或是電容充電，在充電的過程中因?yàn)檩敵龉β氏喈?dāng)微小，且電容相當(dāng)大，推導(dǎo)時(shí)可以將輸出電壓視為一理想電壓源，反過來推導(dǎo)輸入電壓大小和對(duì)頻率的相關(guān)為何。儲(chǔ)電單元BAT的電壓V_BAT及輸入電壓V_IN可計(jì)算如下式：

V_BAT＝(N+1)*V_IN-R_CP*I_OUT＝V_IN*[N+1+(R_CP/R_MP)/(N+1)]-R_CP*I_SC/(N+1) (6)

V_IN＝[V_BAT+R_CP*I_SC/(N+1)]/[N+1+(R_CP/R_MP)/(N+1)] (7)

由上式可知道在V_BAT近似為一個(gè)定電壓時(shí)，V_IN為V_BAT和R_CP(頻率)的函數(shù)，頻率越高時(shí)V_IN越接近于V_OUT/(N+1)。頻率越高R_CP越小，P_LOSS越小。

藉此，可進(jìn)一步計(jì)算輸出端的功率大小POUT如下式

POUT＝V_BAT*I_OUT＝V_BAT*I_IN/(N+1)＝V_BAT*(I_SC-V_IN/R_MP)/(N+1) (8)

上式(8)解得P_OUT是V_IN的函數(shù)，而V_IN是V_BAT和R_CP(頻率)的函數(shù)，V_IN和V_OUT也互為關(guān)系式。如此可知電荷泵型式的能量轉(zhuǎn)換器能設(shè)計(jì)的范圍相當(dāng)有限，除電荷泵階數(shù)N、電容CP的大小之外，僅能通過控制電荷泵100的操作頻率f決定V_IN及V_OUT的關(guān)系，因此，對(duì)于采用電荷泵型式的能量轉(zhuǎn)換器而言，電荷泵階數(shù)N及電容CP通常系難以調(diào)整的，因此整體輸出功率將取決于操作頻率f。

由上述各式可知，輸出的最佳功率點(diǎn)和輸入最大功率點(diǎn)的位置幾乎無(wú)關(guān)，真正有絕對(duì)正相關(guān)的參數(shù)為操作頻率f，因此，操作頻率f越高，因等效電阻R_CP造成的功率損耗P_LOSS越小，而輸出功率P_OUT越大。除上述功率損耗P_LOSS以外，還可進(jìn)一步考量裝置整體的導(dǎo)通消耗(conduction loss)和動(dòng)態(tài)開關(guān)消耗(switching loss)，其為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的技術(shù)，但并非本發(fā)明的重點(diǎn)，故不在此贅述。以下將考量導(dǎo)通消耗(conduction loss)和動(dòng)態(tài)開關(guān)消耗(switching loss)后的功率曲線繪示如圖2G所示，明顯可看出輸出功率在將損耗帶入之后是一個(gè)拋物曲線，極大值的功率是出現(xiàn)在一個(gè)特定的頻率上，因此，本專利的輸出最大功率追蹤方法的目的在于，可以讓操作頻率f維持于此頻率，也能在任何輸出電壓時(shí)自動(dòng)調(diào)整頻率而獲取最大的輸出功率。

為了達(dá)成上述最大功率追蹤的機(jī)制，請(qǐng)復(fù)參考圖2A，進(jìn)一步將電壓比較單元102連接于電荷泵100的輸出端OUT1，其中，電荷泵100可將輸出端OUT1的電壓與一參考電壓VREF比較，且參考電壓VREF可由外部輸入，亦可內(nèi)建于電壓比較單元102中。當(dāng)電荷泵100的輸出端OUT1的電壓V_OUT到達(dá)參考電壓，輸出第一比較信號(hào)。

輸出開關(guān)104連接于電荷泵100的輸出端OUT1及儲(chǔ)電單元BAT之間，其根據(jù)第一比較信號(hào)在導(dǎo)通狀態(tài)及關(guān)斷狀態(tài)之間切換。計(jì)數(shù)器106連接于電壓比較單元102的輸出端以接收比較信號(hào)，并紀(jì)錄在一電壓累積時(shí)間Tacc內(nèi)，在不同的操作頻率f下，電荷泵100的輸出端OUT1的電壓V_OUT分別到達(dá)參考電壓VREF的次數(shù)，并產(chǎn)生復(fù)數(shù)個(gè)計(jì)數(shù)結(jié)果。

頻率控制模組108連接于計(jì)數(shù)器106及控制端CONT之間，其比較相鄰二電壓累積時(shí)間Tacc的該等計(jì)數(shù)結(jié)果產(chǎn)生比較結(jié)果，并根據(jù)比較結(jié)果控制電荷泵的操作頻率f。

根據(jù)上文的敘述，可以明確得知，若想要得到輸出的最大功率PMAX則電荷泵100的操作頻率f必須上升。但是如同前述，增加電荷泵100的操作頻率f的同時(shí)，也會(huì)增加本身所消耗的功率，且此消耗功率與操作頻率f有極大的正相關(guān)。最后得到的輸出功率POUT必定是輸入功率PIN減去損耗功率PLOSS。由此可知，若可記錄N和N+1次的輸出功率POUT，接著比較這2次值的大小，若N+1次大于N次的輸出功率POUT，則代表操作頻率f增加后所得到的輸出功率POUT大于消耗功率PLOSS，因此可增加操作頻率f繼續(xù)比較。如此不斷重復(fù)的比較，直到N+1次所獲得的輸出功率POUT小于前次所獲得的輸出功率POUT，此即是最佳的輸出功率POUT位置，此時(shí)不需再提升操作頻率f，改為下降一次操作頻率f重新比較。最后操作頻率f和輸出功率POUT將維持在系統(tǒng)最佳化的位置附近。

請(qǐng)參考圖3，其為根據(jù)本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置的另一實(shí)施例繪示的電路布局圖。如圖所示，本發(fā)明用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置3，其包含電荷泵300、電壓比較單元302、輸出開關(guān)304、計(jì)數(shù)器306及頻率控制模組308。電荷泵300包含復(fù)數(shù)個(gè)二極管D1、D2及D3、電容CP、CL，并可接收時(shí)脈信號(hào)CLK。電荷泵300自輸入端接收能量采集設(shè)備ENG的輸入電壓V_IN，并根據(jù)操作頻率f自電荷泵輸出端輸出電荷泵輸出電壓V_CP。

具體而言，電壓比較單元302可包含比較器COMP1及開關(guān)SW，而參考電壓可為250mV，藉由此設(shè)置，當(dāng)比較器COMP1比較出輸出電壓V_OUT提升250mV，此時(shí)比較器COMP1向計(jì)數(shù)器306輸出信號(hào)，計(jì)數(shù)器306紀(jì)錄輸出電壓V_OUT提升250mV一次，在一段電壓累積時(shí)間Tacc內(nèi)重復(fù)此動(dòng)作，紀(jì)錄在電壓累積時(shí)間內(nèi)，在不同的操作頻率f下，電荷泵300的輸出端的電壓分別到達(dá)參考電壓的次數(shù)。

需進(jìn)一步說明的是，頻率控制模組308具體可包含計(jì)數(shù)暫存器REG1及REG2、比較器COMP2、數(shù)值控制振蕩器NCO及低頻振蕩器OSC。計(jì)數(shù)暫存器REG1及REG2可儲(chǔ)存計(jì)數(shù)器306在相鄰二電壓累積時(shí)間Tacc內(nèi)分別產(chǎn)生的該等計(jì)數(shù)結(jié)果。舉例而言，第N個(gè)電壓累積時(shí)間Tacc及第N+1個(gè)電壓累積時(shí)間Tacc中，該等計(jì)數(shù)結(jié)果可存放在暫存器REG1及REG2當(dāng)中進(jìn)而拿來比較，可不需消耗功率較大的模擬式比較器。當(dāng)電荷泵輸出電壓V_CP每累積達(dá)到250mV時(shí)比較器COMP1會(huì)輸出高準(zhǔn)位，將電容C_L上儲(chǔ)存的能量倒入輸出的儲(chǔ)電單元BAT之中。而總共累積的時(shí)間則稱為累積時(shí)間(accumulation time)。

下文將參考附圖詳細(xì)說明這兩段時(shí)間之中的電路動(dòng)作方式。由于此類操作環(huán)境下，其輸出電流通常相當(dāng)微小(約uA等級(jí))，要比較此類電流相當(dāng)不容易，并且因?yàn)殡娏魑⑿〉木壒剩漭斎腚妷狠敵鲭妷鹤兓枷喈?dāng)緩慢。所以最好的方式是在頻率變動(dòng)過后維持一段等待時(shí)間Twait，讓輸入電壓V_IN穩(wěn)定輸入后再進(jìn)行輸出功率POUT的計(jì)算。但本實(shí)施例不限于此，由于需要等待時(shí)間Twait及累積時(shí)間Tacc的原因是為了因應(yīng)此類電路的反應(yīng)速度問題，若前端能量采集設(shè)備ENG的反應(yīng)速度夠快，則不需要這兩段時(shí)間來等待和累計(jì)。或者是可以相對(duì)應(yīng)的縮短或是增長(zhǎng)這段時(shí)間。

請(qǐng)參考圖4A，其為累積時(shí)間Tacc及等待時(shí)間Twait的電壓變化示意圖。當(dāng)累積時(shí)間Tacc完成后，會(huì)進(jìn)行操作頻率f上升或是下降的比較，此時(shí)系統(tǒng)依然持續(xù)運(yùn)作，因?yàn)椴僮黝l率f改變，導(dǎo)致輸入電壓V_IN也會(huì)隨之改變，如圖所示，在等待時(shí)間Twait內(nèi)，輸入電壓V_IN會(huì)穩(wěn)定于相對(duì)應(yīng)此頻率和輸出電壓的一個(gè)定值上。在累積時(shí)間Twait內(nèi)，電荷泵輸出電壓V_CP會(huì)持續(xù)的累積輸出電壓，當(dāng)輸出功率越大時(shí)累積電壓的速度會(huì)越快，且若是在一個(gè)固定時(shí)間的狀況下累積的電壓值會(huì)越大。在累積的過程當(dāng)中因?yàn)樽詈蟮妮敵龆诉B接于儲(chǔ)電單元BAT，所以在累積時(shí)間Tacc之內(nèi)，可以視為一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓準(zhǔn)位。并且因?yàn)榇藭r(shí)輸入也是穩(wěn)定值，所以這段時(shí)間內(nèi)輸入、輸出都是固定電壓且穩(wěn)定，所以因?yàn)椴僮黝l率f變化而得到的輸出功率變化能夠藉由此方式得到。

請(qǐng)參考圖4B，其為電荷泵輸出電壓V_CP和輸出電壓V_OUT的相對(duì)關(guān)系圖，電荷泵輸出電壓V_CP每充電至250mV，就會(huì)與輸出電壓V_OUT短暫連接，將儲(chǔ)存于電容C_L上的電荷輸出于儲(chǔ)電單元BAT之中，而輸出電壓V_OUT在此時(shí)間內(nèi)為相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓值，因此，電荷泵輸出電壓V_CP會(huì)不斷重新由輸出電壓V_OUT上升充電。

此充電至250mV的機(jī)制除了會(huì)將電荷泵輸出電壓V_CP與輸出電壓V_OUT產(chǎn)生關(guān)聯(lián)之外，前述的暫存器REG1及REG2會(huì)儲(chǔ)存累積時(shí)間Tacc內(nèi)，電荷泵輸出電壓V_CP達(dá)到250mV的次數(shù)，以用于后續(xù)在比較器COMP2比較的暫存器。一般而言，較長(zhǎng)的累積時(shí)間Tacc可取得較準(zhǔn)確的輸出功率。暫存器REG1及REG2分別所儲(chǔ)存之第N及第N+1次的計(jì)數(shù)結(jié)果會(huì)所藉由比較器COMP2進(jìn)行比較并輸出第二比較結(jié)果。當(dāng)該等計(jì)數(shù)結(jié)果的后者大于前者，頻率控制模組308中的頻率控制單元可根據(jù)第二比較信號(hào)控制操作頻率f上升，當(dāng)該等計(jì)數(shù)結(jié)果的后者小于前者，頻率控制單元可根據(jù)第二比較信號(hào)控制操作頻率f下降，因此可得到增加或是降低操作頻率的演算結(jié)果。電荷泵300的操作頻率f可由數(shù)值控制振蕩器NCO(numerically controlled oscillator)控制，如圖3所示，數(shù)值控制振蕩器NCO會(huì)根據(jù)暫存器REG1及REG2的比較結(jié)果累加或是遞減，進(jìn)而趨近最佳輸出功率點(diǎn)。

請(qǐng)參考圖5，其為不同輸出電壓時(shí)(V_OUT＝V_BAT＝2.0,3.0,4.0V)，頻率的變化對(duì)輸出功率的影響和收斂位置曲線圖。其中，將因?yàn)椴僮黝l率f上升而消耗電流增加的影響納入考量，本模擬的條件為每增加100KHz將增加消耗0.5uA的輸入電流量。圖中個(gè)別示出不包含因操作頻率上升而消耗的功率的輸出功率，以及包含因頻率上升而消耗的功率的輸出功率。由圖可知，輸出功率因?yàn)楸旧聿僮黝l率上升而消耗功率，呈現(xiàn)拋物曲線特性，輸出功率的最大值可對(duì)應(yīng)至一個(gè)最佳的操作頻率點(diǎn)，同時(shí)，系統(tǒng)也利用前述電路配置及操作流程而收斂至此最佳操作點(diǎn)。

請(qǐng)參考圖6，其為根據(jù)本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置中，電荷泵的另一實(shí)施例的示意圖。如圖所示，除了變動(dòng)頻率來改變電荷泵的等效電阻Rcp＝N/(f*Cp)，也可改變電荷泵電容Cp的電容值達(dá)到相同的效果。若用此型態(tài)則不需要數(shù)值控制振蕩器NCO，而可改為固定頻率的震蕩器，數(shù)字比較器COMP2輸出改為控制電荷泵電容Cp的電容值大小。

請(qǐng)參考圖7，其為根據(jù)本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置的再一實(shí)施例繪示的輸出電壓V_OUT對(duì)時(shí)間的作圖。與前述實(shí)施例不同之處在于，輸出功率的大小亦可以藉由在一特定時(shí)間區(qū)間內(nèi)，根據(jù)輸出電壓上升的大小來判斷。如圖所示，時(shí)間T1＝時(shí)間T2，當(dāng)時(shí)間T2內(nèi)到達(dá)的電壓V2>時(shí)間T1內(nèi)到達(dá)之電壓V1時(shí)，將依前述規(guī)則增加操作頻率f，反之則降低操作頻率f。

請(qǐng)參考圖8，其為根據(jù)本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置中，頻率操作單元的另一實(shí)施例的示意圖。與前述實(shí)施例不同之處在于，前述的數(shù)值控制振蕩器NCO亦可使用模擬積分器INT(analog integrator)及電壓控制震蕩器VCO(voltage controlled oscillator,VCO)共同實(shí)現(xiàn)。模擬積分器INT累積前述的比較結(jié)果，而電壓控制震蕩器VCO可進(jìn)一步根據(jù)比較結(jié)果控制頻率高低。

以下將參考附圖說明本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置的實(shí)施例。如圖9所示，其為本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化方法的實(shí)施例的流程圖，且適用于前述的功率最佳化裝置的各實(shí)施例，方法包含下列步驟：

步驟S901：以電荷泵自輸入端接收能量采集設(shè)備的輸入電壓，并根據(jù)操作頻率自輸出端輸出輸出電壓；

步驟S902：以電壓比較單元將電荷泵的輸出端的電壓與參考電壓比較，當(dāng)電荷泵的輸出端的電壓到達(dá)參考電壓，輸出第一比較信號(hào)；

步驟S903：配置輸出開關(guān)以根據(jù)第一比較信號(hào)在導(dǎo)通狀態(tài)及關(guān)斷狀態(tài)之間切換；

步驟S904：以計(jì)數(shù)器接收比較信號(hào)，并紀(jì)錄在電壓累積時(shí)間內(nèi)，在不同的操作頻率下，電荷泵的輸出端的電壓到達(dá)參考電壓的次數(shù)，并產(chǎn)生復(fù)數(shù)個(gè)計(jì)數(shù)結(jié)果；以及

步驟S905：以計(jì)數(shù)暫存器儲(chǔ)存計(jì)數(shù)器在電壓累積時(shí)間中的相鄰二者所分別產(chǎn)生的等計(jì)數(shù)結(jié)果；

步驟S906：配置數(shù)字比較器以比較等計(jì)數(shù)暫存器內(nèi)的數(shù)值并輸出第二比較信號(hào)，若該等計(jì)數(shù)結(jié)果的后者大于前者，進(jìn)入步驟S907，配置數(shù)值控制振蕩器以依據(jù)數(shù)字比較器的結(jié)果控制操作頻率上升，若該等計(jì)數(shù)結(jié)果的后者小于前者，進(jìn)入步驟S908，配置數(shù)值控制振蕩器以依據(jù)數(shù)字比較器的結(jié)果控制操作頻率下降。

需要說明的是，上述各步驟中的配置均與前述實(shí)施例中說明的類似，本領(lǐng)域技術(shù)人員可藉由前述各實(shí)施例中的說明，并參考上述步驟實(shí)行本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化方法，故省略重復(fù)敘述。

綜上所述，依本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置及方法，藉由在不同操作頻率下檢測(cè)系統(tǒng)的輸出電壓，得到增加或是降低電荷泵的操作頻率的演算結(jié)果，如此可動(dòng)態(tài)的根據(jù)能量采集設(shè)備所輸出至儲(chǔ)電單元的電壓，并考量操作頻率變動(dòng)造成的能量損耗，以進(jìn)行操作頻率的調(diào)整，進(jìn)而將系統(tǒng)的輸出功率最佳化。

此外，本發(fā)明的用于能量采集設(shè)備的功率最佳化裝置及方法不需需要體積較大的電感作為儲(chǔ)能元件，亦不需耗費(fèi)能量進(jìn)行開路電壓的檢測(cè)，除體積小可靈活適用于穿戴式裝置外，亦不易受到環(huán)境溫度影響，而可持續(xù)使系統(tǒng)輸出功率最佳化。