用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法

摘要

本发明提供一种用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法，功率最佳化装置包含电荷泵、电压比较单元、输出开关、计数器及频率控制模组。藉由在不同操作频率下检测系统的输出电压，得到增加或是降低电荷泵的操作频率的演算结果，如此可动态的根据能量采集设备所输出至储电单元的电压，并考量操作频率变动造成的能量损耗，以进行操作频率的调整，进而将系统的输出功率最佳化。

权利要求

1.一种用于能量采集设备的功率最佳化装置，其包含：

一电荷泵，包含一输入端、一输出端及一控制端，该电荷泵自该输入端接收一能量采集设备的一输入电压，并根据一操作频率自该输出端输出一输出电压；

一电压比较单元，连接于该电荷泵的该输出端，以将该电荷泵的该输出端的电压与一参考电压比较，当该电荷泵的该输出端的电压到达该参考电压，输出一第一比较信号；

一输出开关，连接于该电荷泵的该输出端及一储电单元之间，其根据该第一比较信号在一导通状态及一关断状态之间切换；

一计数器，连接于该电压比较单元的一输出端以接收该第一比较信号，并纪录在一电压累积时间内，在不同的该操作频率该电荷泵的该输出端的电压分别到达该参考电压的次数，并产生复数个计数结果；以及一频率控制模组，连接于该计数器及该控制端之间，其比较相邻二该电压累积时间的所述计数结果产生一比较结果，并根据该比较结果控制该电荷泵的该操作频率。

2.如权利要求1所述的功率最佳化装置，其中该频率控制模组包含：

一计数暂存器，储存该计数器在相邻二该电压累积时间内分别产生的所述计数结果；

一比较器，比较所述计数结果并输出一第二比较信号；以及

一频率控制单元，连接于该比较器及该控制端之间，其中，当所述计数结果的后者大于前者，该频率控制单元根据该第二比较信号控制该操作频率上升，当所述计数结果的后者小于前者，该频率控制单元根据该第二比较信号控制该操作频率下降。

3.如权利要求2所述的功率最佳化装置，其中频率控制单元包含一数字比较器及一数值控制振荡器，其中该数字比较器经配置以比较所述计数暂存器内的数值，该数值控制振荡器经配置以依据该数字比较器的结果增加或降低该数值控制振荡器的频率以控制该操作频率。

4.如权利要求1所述的功率最佳化装置，其中该参考电压为该输出端的电压加上一预设电压值。

5.如权利要求1所述的功率最佳化装置，其进一步包含连接于该计数器的一低频振荡器，其经配置以产生该电压累积时间，以及相邻二该电压累积时间之间的一等待时间。

6.一种用于能量采集设备的功率最佳化方法，其适用于如权利要求1所述的功率最佳化装置，方法包含下列步骤：以该电荷泵自该输入端接收一能量采集设备的一输入电压，并根据一操作频率自该输出端输出一输出电压；

以该电压比较单元将该电荷泵的该输出端的电压与一参考电压比较，当该电荷泵的该输出端的电压到达该参考电压，输出一第一比较信号；

配置该输出开关以根据该第一比较信号在一导通状态及一关断状态之间切换；

以该计数器接收该第一比较信号，并纪录在一电压累积时间内，在不同的该操作频率下，该电荷泵的该输出端的电压到达该参考电压的次数，并产生复数个计数结果；以及以频率控制模组比较所述电压累积时间中相邻二者的各该计数结果产生一比较结果，并根据该比较结果控制该电荷泵的该操作频率。

7.如权利要求6所述的功率最佳化方法，其中在根据该比较结果控制该电荷泵的该操作频率的步骤中，进一步包含：以一计数暂存器储存该计数器在该电压累积时间中的相邻二者所分别产生的所述计数结果；

以一比较器比较所述计数结果并输出一第二比较信号，若所述计数结果的后者大于前者，以一频率控制单元根据该第二比较信号控制该操作频率上升，若所述计数结果的后者小于前者，以该频率控制单元根据该第二比较信号控制该操作频率下降。

8.如权利要求7所述的功率最佳化方法，其中在该频率控制单元根据该第二比较信号控制该操作频率的步骤中，进一步包含下列步骤：配置一数字比较器以比较所述计数暂存器内的数值；以及

配置一数值控制振荡器以依据该数字比较器的结果增加或降低该数值控制振荡器的频率以控制该操作频率。

9.如权利要求6所述的功率最佳化方法，其中该参考电压为该输出端的电压加上一预设电压值。

10.如权利要求6所述的功率最佳化方法，其中在以该计数器纪录在该电压累积时间内，该电荷泵的该输出端的电压到达该参考电压的次数的步骤中，进一步包含配置一低频振荡器以产生该电压累积时间，以及相邻二该电压累积时间之间的一等待时间。

说明书

用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法

技术领域

[0001] 本发明关于一种用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法，更精确的说，是关于一种藉由对电荷泵的输出电压进行最大功率点追踪，并对应调整操作频率以使能量采集设备的功率最佳化的装置及方法。

背景技术

[0002] 能量猎取、采集(energy harvesting)技术在各领域中已经使用了相当长的一段时间，此技术主要目的为猎取大自然中的能量，例如光(light)、热(Thermal)、电磁(Electromagnetic)或是震动(Vibration)能。此类能量和绿色能源(Green power)取得方式相似，但不同的是能量采集技术的对象通常是相当微小的能量来源。

[0003] 随着集成电路(integrated circuit)设计的进步和网际网络的发达，穿戴(wearable)式装置和物联网(internet of thing,IoT)的应用越来越受到重视，而这两项应用和能量采集技术也密切相关。以物联网为例，通常需要相当多的无线网络感测节点(wireless sensor network,WSN)来检测和传送资料，因此数目庞大的WSN若能从所处位置直接的猎取所需能量，不再依赖有线电网或是更换电池提供能量，将是非常值得投注心力的一项技术。另外穿戴式产品通常体积较小，如果大部分时间的能量都能够由外部取得，也可以大幅度的降低对电池的需求。好处是电池体积可以缩小，减少充电时间，采集到的能量若是多于目前操作所需能量也可将多余的能量储存于电池之中。

[0004] 为了得到环境中的能量，必须有一个转换器(transducer)将前述的光、热等能量转换为IC能够处理的电压、电流信号。以光为例，可利用太阳能电池(solar cell)做转换，如图1A所示，可知转换后的曲线并非线性，与一般的理想电压、电流源差异很大。并且其功率曲线有一最大值，称为最大功率点MPP(maximum power point,MPP)。由此可知若是想要得到最大的功率，则其后所接的电源转换器(power converter)必须能够时时刻刻的将工作点保持在此最大功率点(maximum power point tracking,MPPT)。图1B是压电转换震动能的电压对电流和功率曲线，虽然特性和太阳能电池不同，但相同的都有一个最大功率点。

[0005] 转换器将能量转换为电能信号后，将由电源转换器(power converter)转换成系统所能运用的电压、电流范围。以一般应用而言此转换后的能量相当微小，所以使用的电源转换器的效率必须相当高。直流切换式电源转换器(DC/DC switching converter)的效率是相当高的。很多应用也大多用此类转换器，例如降压型直流转换器(buck converter)可应用于太阳能电池和震动能源，而升压型直流转换器(boost converter)可应用于太阳能电池和热能源。此类转换器虽然效率够高，但是此类切换式电源转换器不可避免的需要一个体积较大的电感当作储能元件。但是较大面积的元件将不利于穿戴式的产品。

发明内容

[0006] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于能量采集设备的功率最佳化装置，其包含电荷泵、电压比较单元、输出开关、计数器及频率控制模组。电荷泵包含输入端、输出端及控制端，电荷泵自输入端接收能量采集设备的输入电压，并根据操作频率自输出端输出输出电压。电压比较单元连接于电荷泵的输出端，以将电荷泵的输出端的电压与参考电压比较，当电荷泵的输出端的电压到达参考电压，输出第一比较信号。输出开关连接于电荷泵的输出端及储电单元之间，其根据第一比较信号在导通状态及关断状态之间切换。计数器连接于电压比较单元的输出端以接收第一比较信号，并纪录在电压累积时间内，在不同的操作频率电荷泵的输出端的电压分别到达参考电压的次数，并产生复数个计数结果。频率控制模组连接于计数器及控制端之间，其比较相邻二电压累积时间的该等计数结果产生比较结果，并根据比较结果控制电荷泵的操作频率。

[0007] 较佳者，频率控制模组可包含计数暂存器、比较器及频率控制单元。计数暂存器可储存计数器在相邻二电压累积时间内分别产生的该等计数结果。比较器可比较该等计数结果并输出第二比较信号。频率控制单元可连接于比较器及控制端之间，其中，当该等计数结果的后者大于前者，频率控制单元可根据第二比较信号控制操作频率上升，当该等计数结果的后者小于前者，频率控制单元可根据第二比较信号控制操作频率下降。

[0008] 较佳者，频率控制单元包含数字比较器(digital comparator)及数值控制振荡器，其中数字比较器可经配置以比较等计数暂存器内的数值，数值控制振荡器可经配置以依据数字比较器的结果增加或降低数值控制振荡器的频率以控制操作频率。

[0009] 较佳者，参考电压可为输出端的电压加上预设电压值。

[0010] 较佳者，功率最佳化装置可进一步包含连接于计数器的低频振荡器，其可经配置以产生电压累积时间，以及相邻二电压累积时间之间的等待时间。

[0011] 根据本发明的另一态样，在于提供一种用于能量采集设备的功率最佳化方法，其适用于如前述的功率最佳化装置，方法包含下列步骤：以电荷泵自输入端接收能量采集设备的输入电压，并根据操作频率自输出端输出输出电压；以电压比较单元将电荷泵的输出端的电压与参考电压比较，当电荷泵的输出端的电压到达参考电压，输出第一比较信号；配置输出开关以根据第一比较信号在导通状态及关断状态之间切换；以计数器接收第一比较信号，并纪录在电压累积时间内，在不同的操作频率下，电荷泵的输出端的电压到达参考电压的次数，并产生复数个计数结果；以及以频率控制模组比较等电压累积时间中相邻二者的各计数结果产生比较结果，并根据比较结果控制电荷泵的操作频率。

[0012] 较佳者，在根据比较结果控制电荷泵的操作频率的步骤中，可进一步包含下列步骤：以计数暂存器储存计数器在电压累积时间中的相邻二者所分别产生的计数结果；以比较器比较该等计数结果并输出第二比较信号，若该等计数结果的后者大于前者，以频率控制单元根据第二比较信号控制操作频率上升，若该等计数结果的后者小于前者，以频率控制单元根据第二比较信号控制操作频率下降。

[0013] 较佳者，在频率控制单元根据第二比较信号控制操作频率的步骤中，可进一步包含下列步骤：配置数字比较器以比较等计数暂存器内的数值；以及配置数值控制振荡器以依据数字比较器的结果增加或降低数值控制振荡器的频率以控制操作频率。

[0014] 较佳者，参考电压可为输出端的电压加上预设电压值。

[0015] 较佳者，在以计数器纪录在电压累积时间内，电荷泵的输出端的电压到达参考电压的次数的步骤中，可进一步包含配置低频振荡器以产生电压累积时间，以及相邻二电压累积时间之间的等待时间。

[0016] 综上所述，依本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置，其可具有一或多个下述优点：

[0017] 依本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法，藉由在不同操作频率下检测系统的输出电压，得到增加或是降低电荷泵的操作频率的演算结果，如此可动态的根据能量采集设备所输出至储电单元的电压，并考量操作频率变动造成的能量损耗，以进行操作频率的调整，进而将系统的输出功率最佳化。

[0018] 此外，本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法不需需要体积较大的电感作为储能元件，亦不需耗费能量进行开路电压的检测，除体积小可灵活适用于穿戴式装置外，亦不易受到环境温度影响，而可持续使系统输出功率最佳化。

附图说明

[0019] 本发明的上述及其他特征及优势将藉由参照附图详细说明其例示性实施例而变得更显而易知，其中：

[0020] 图1A及1B为现有太阳能电池及压电转换器的电压对电流和功率曲线。

[0021] 图2A为根据本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置的实施例绘示的方块图。

[0022] 图2B及图2C，其分别为根据本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置的实施例的电荷泵绘示的电路布局图及其的等效电路图。

[0023] 图2D及2E为本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置的能量采集设备ENG的等效电路及电压对电流及功率曲线的方块图。

[0024] 图2F为在不同频率下，输出功率对输入电压的曲线图。

[0025] 图2G为考量导通消耗(conduction loss)和动态开关消耗(switching loss)后的功率曲线。

[0026] 图3为根据本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置的另一实施例绘示的电路布局图。

[0027] 图4A为累积时间及等待时间的电压变化示意图。

[0028] 图4B为电荷泵输出电压和输出电压的相对关系图

[0029] 图5为不同输出电压时频率的变化对输出功率的影响和收敛位置曲线图。

[0030] 图6为根据本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置的电荷泵的另一实施例的示意图。

[0031] 图7为根据本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置的再一实施例绘示的输出电压对时间的作图。

[0032] 图8为根据本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置中，频率操作单元的另一实施例的示意图。

[0033] 图9为根据本发明的用于能量采集设备的功率最佳化方法的实施例绘示的流程图。

[0034] 附图符号说明：

[0035] MPP：最大功率点

[0036] 1、3：功率最佳化装置

[0037] 100、300：电荷泵

[0038] 102、302：电压比较单元

[0039] 104、304：输出开关

[0040] 108、308：频率控制模组

[0041] IN1：输入端

[0042] OUT1：输出端

[0043] CONT1：控制端

[0044] VIN：输入电压

[0045] VOUT：输出电压

[0046] RCP：等效电阻

[0047] CP、CL：电容

[0048] D1、D2、D3：二极管

[0049] CLK：时脉信号

[0050] f：操作频率

[0051] IOUT：输出电流

[0052] Isc：短路电流

[0053] RMP：内电阻

[0054] IIN：输入电流

[0055] BAT：储电单元

[0056] VBAT：电压

[0057] VCP：电荷泵输出电压

[0058] COMP1、COMP2：比较器

[0059] SW：开关

[0060] Tacc：累积时间

[0061] NCO：数值控制振荡器

[0062] OSC：低频振荡器

[0063] Twait：等待时间

[0064] REG1、REG2：暂存器

[0065] INT：模拟积分器

[0066] VCO：电压控制震荡器

[0067] S901-S908：步骤

具体实施方式

[0068] 为利贵审查员了解本发明的技术特征、内容与优点及其所能达成的功效，兹将本发明配合附图，并以实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的附图，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本发明实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的附图的比例与配置关系解读、局限本发明于实际实施上的权利范围，合先叙明。

[0069] 于此使用，词汇“与/或”包含一或多个相关条列项目的任何或所有组合。当“至少其一”的叙述前缀于一元件清单前时，是修饰整个清单元件而非修饰清单中的个别元件。

[0070] 请参考图2A，其为本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置的实施例绘示的方块图。如图所示，本发明用于能量采集设备的功率最佳化装置1，其包含电荷泵100、电压比较单元102、输出开关104、计数器106及频率控制模组108。电荷泵100包含输入端IN1、输出端OUT1及控制端CONT1，电荷泵100自输入端IN1接收能量采集设备ENG的输入电压VIN，并根据操作频率f自输出端OUT1输出输出电压VOUT。其中，能量采集设备ENG可为转换器(transducer)，其可将光、热等能量转换为集成电路能够处理的电压、电流信号。例如，可为太阳能电池(solar cell)，将光转换为电压及电流，或为压电转换器，将震动能转换为电压及电流。

[0071] 对太阳能电池而言，最大功率点不论光的强度是多少，如图1A所示，大致上是落于0.7～0.8倍的开路电压(Voc)之间，使用电路设计将太阳能电池输出端固定于0.7～0.8*Voc电压是一种相当简单，并且在多数情况下都能使太阳能电池输出最大功率的方法。此方式虽然简单但却无法补偿因为温度变化而造成的Voc变化。其中，温度变化对Voc及最大功率点的影响相当巨大，使用定电压源难以所有的温度情况下得到最大功率。此外，若对应开路电压进行调整，则需先检测开路电压大小，导致不必要的能量损失。

[0072] 因此，本发明使用电荷泵形式的电源转换器，例如，升压型电荷泵(charge pump)相当适合做为太阳能电池和热能量的电源转换器，其不需大体积的电感，亦不易受到环境温度影响。然而，需要说明的是，电荷泵形式的电源转换器应用在有较大内阻具有最大功率点的能量采集设备ENG时，其输出最大功率点并非和输入最大功率点相同。因此，整体最大功率点的追踪方式将在下文中详细说明。

[0073] 请参考图2B及图2C，其分别为电荷泵100的电路布局图及其的等效电路图。如图所示，电荷泵100为常见的电荷泵，其包含复数个二极管D1、D2及D3以及复数个电容CP，其可通过时脉信号CLK控制复数个二极管D1、D2及D3的导通状态并控制电荷泵100的操作频率f，并输出电荷泵输出电压VOUT及输出电流IOUT。根据能量采集设备ENG的输入电压VIN，可计算输出电压VOUT如下式：

[0074] VOUT＝(N+1)*VIN-[N/(f*CP)]*IOUT  (1)

[0075] 其中，N为电荷泵的阶数，且上述电荷泵可进一步等效如图2C所示。且电荷泵100的等效电阻RCP可进一步计算如下式：

[0076] RCP＝N/(f*CP)  (2)

[0077] 为了便于举例说明，此处的能量采集设备ENG采用热转换器形式，其特性和太阳能电池相近，并且电压电流关系式有利于计算方便。其等效电路及电压对电流及功率曲线如图2D及2E所示。其中，短路电流Isc及内电阻RMP相对关系如等效电路图所示，其向电荷泵100输入输入电压VIN及输入电流IIN，其中，电压电流关系式可计算如下式：

[0078] IIN＝ISC–(ISC/VOC)*VIN  (3)

[0079] 因此，根据上述式(1)至(3)，输入功率PIN和输出功率POUT之间的关系可计算如下式：

[0080] PIN＝IIN*VIN＝[ISC–(1/RMP)*VIN]*VIN  (4)

[0081] 考量直接消耗在RCP上的损耗功率PLOSS，输出功率可计算如下式：

[0082] POUT＝PIN-PLOSS＝PIN-RCP*[ISC-VIN/RMP]2/(N+1)2  (5)

[0083] 因为RCP在不同频率下有不同等的效电阻特性，此特性会消耗输入的功率，所以尽管将输入电压位于最大输入功率点也不见得能够让输出得到最多的功率。请参考图2F，其为在不同频率下，输出功率对输入电压的曲线图。举例来说，此MPP位置在VIN＝2.5V，频率160KHz的输出功率状况却不如增加频率至640KHz让VIN等于2V但小于MPP的位置，甚至VIN小到1.5V的状况和160KHz位于MPP的状况所得到的输出功率接近相同。所以能够确定的是频率越高输出功率曲线越能够趋近于输入功率曲线，理论上当频率趋近于无限大时输入曲线就是输出曲线，效率为100％。

[0084] 如图2A所示，电荷泵100连接于储电单元BAT与能量采集单元ENG之间，可接着考量实际状况并推导最佳输出功率。假设电荷泵100输出是对电池或是电容充电，在充电的过程中因为输出功率相当微小，且电容相当大，推导时可以将输出电压视为一理想电压源，反过来推导输入电压大小和对频率的相关为何。储电单元BAT的电压VBAT及输入电压VIN可计算如下式：

[0085] VBAT＝(N+1)*VIN-RCP*IOUT＝VIN*[N+1+(RCP/RMP)/(N+1)]-RCP*ISC/(N+1)  (6)[0086] VIN＝[VBAT+RCP*ISC/(N+1)]/[N+1+(RCP/RMP)/(N+1)]  (7)

[0087] 由上式可知道在VBAT近似为一个定电压时，VIN为VBAT和RCP(频率)的函数，频率越高时VIN越接近于VOUT/(N+1)。频率越高RCP越小，PLOSS越小。

[0088] 藉此，可进一步计算输出端的功率大小POUT如下式

[0089] POUT＝VBAT*IOUT＝VBAT*IIN/(N+1)＝VBAT*(ISC-VIN/RMP)/(N+1)  (8)[0090] 上式(8)解得POUT是VIN的函数，而VIN是VBAT和RCP(频率)的函数，VIN和VOUT也互为关系式。如此可知电荷泵型式的能量转换器能设计的范围相当有限，除电荷泵阶数N、电容CP的大小之外，仅能通过控制电荷泵100的操作频率f决定VIN及VOUT的关系，因此，对于采用电荷泵型式的能量转换器而言，电荷泵阶数N及电容CP通常系难以调整的，因此整体输出功率将取决于操作频率f。

[0091] 由上述各式可知，输出的最佳功率点和输入最大功率点的位置几乎无关，真正有绝对正相关的参数为操作频率f，因此，操作频率f越高，因等效电阻RCP造成的功率损耗PLOSS越小，而输出功率POUT越大。除上述功率损耗PLOSS以外，还可进一步考量装置整体的导通消耗(conduction loss)和动态开关消耗(switching loss)，其为本领域技术人员熟知的技术，但并非本发明的重点，故不在此赘述。以下将考量导通消耗(conduction loss)和动态开关消耗(switching loss)后的功率曲线绘示如图2G所示，明显可看出输出功率在将损耗带入之后是一个抛物曲线，极大值的功率是出现在一个特定的频率上，因此，本专利的输出最大功率追踪方法的目的在于，可以让操作频率f维持于此频率，也能在任何输出电压时自动调整频率而获取最大的输出功率。

[0092] 为了达成上述最大功率追踪的机制，请复参考图2A，进一步将电压比较单元102连接于电荷泵100的输出端OUT1，其中，电荷泵100可将输出端OUT1的电压与一参考电压VREF比较，且参考电压VREF可由外部输入，亦可内建于电压比较单元102中。当电荷泵100的输出端OUT1的电压VOUT到达参考电压，输出第一比较信号。

[0093] 输出开关104连接于电荷泵100的输出端OUT1及储电单元BAT之间，其根据第一比较信号在导通状态及关断状态之间切换。计数器106连接于电压比较单元102的输出端以接收比较信号，并纪录在一电压累积时间Tacc内，在不同的操作频率f下，电荷泵100的输出端OUT1的电压VOUT分别到达参考电压VREF的次数，并产生复数个计数结果。

[0094] 频率控制模组108连接于计数器106及控制端CONT之间，其比较相邻二电压累积时间Tacc的该等计数结果产生比较结果，并根据比较结果控制电荷泵的操作频率f。

[0095] 根据上文的叙述，可以明确得知，若想要得到输出的最大功率PMAX则电荷泵100的操作频率f必须上升。但是如同前述，增加电荷泵100的操作频率f的同时，也会增加本身所消耗的功率，且此消耗功率与操作频率f有极大的正相关。最后得到的输出功率POUT必定是输入功率PIN减去损耗功率PLOSS。由此可知，若可记录N和N+1次的输出功率POUT，接着比较这2次值的大小，若N+1次大于N次的输出功率POUT，则代表操作频率f增加后所得到的输出功率POUT大于消耗功率PLOSS，因此可增加操作频率f继续比较。如此不断重复的比较，直到N+1次所获得的输出功率POUT小于前次所获得的输出功率POUT，此即是最佳的输出功率POUT位置，此时不需再提升操作频率f，改为下降一次操作频率f重新比较。最后操作频率f和输出功率POUT将维持在系统最佳化的位置附近。

[0096] 请参考图3，其为根据本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置的另一实施例绘示的电路布局图。如图所示，本发明用于能量采集设备的功率最佳化装置3，其包含电荷泵300、电压比较单元302、输出开关304、计数器306及频率控制模组308。电荷泵300包含复数个二极管D1、D2及D3、电容CP、CL，并可接收时脉信号CLK。电荷泵300自输入端接收能量采集设备ENG的输入电压VIN，并根据操作频率f自电荷泵输出端输出电荷泵输出电压VCP。

[0097] 具体而言，电压比较单元302可包含比较器COMP1及开关SW，而参考电压可为250mV，藉由此设置，当比较器COMP1比较出输出电压VOUT提升250mV，此时比较器COMP1向计数器306输出信号，计数器306纪录输出电压VOUT提升250mV一次，在一段电压累积时间Tacc内重复此动作，纪录在电压累积时间内，在不同的操作频率f下，电荷泵300的输出端的电压分别到达参考电压的次数。

[0098] 需进一步说明的是，频率控制模组308具体可包含计数暂存器REG1及REG2、比较器COMP2、数值控制振荡器NCO及低频振荡器OSC。计数暂存器REG1及REG2可储存计数器306在相邻二电压累积时间Tacc内分别产生的该等计数结果。举例而言，第N个电压累积时间Tacc及第N+1个电压累积时间Tacc中，该等计数结果可存放在暂存器REG1及REG2当中进而拿来比较，可不需消耗功率较大的模拟式比较器。当电荷泵输出电压VCP每累积达到250mV时比较器COMP1会输出高准位，将电容CL上储存的能量倒入输出的储电单元BAT之中。而总共累积的时间则称为累积时间(accumulation time)。

[0099] 下文将参考附图详细说明这两段时间之中的电路动作方式。由于此类操作环境下，其输出电流通常相当微小(约uA等级)，要比较此类电流相当不容易，并且因为电流微小的缘故，其输入电压输出电压变化都相当缓慢。所以最好的方式是在频率变动过后维持一段等待时间Twait，让输入电压VIN稳定输入后再进行输出功率POUT的计算。但本实施例不限于此，由于需要等待时间Twait及累积时间Tacc的原因是为了因应此类电路的反应速度问题，若前端能量采集设备ENG的反应速度够快，则不需要这两段时间来等待和累计。或者是可以相对应的缩短或是增长这段时间。

[0100] 请参考图4A，其为累积时间Tacc及等待时间Twait的电压变化示意图。当累积时间Tacc完成后，会进行操作频率f上升或是下降的比较，此时系统依然持续运作，因为操作频率f改变，导致输入电压VIN也会随之改变，如图所示，在等待时间Twait内，输入电压VIN会稳定于相对应此频率和输出电压的一个定值上。在累积时间Twait内，电荷泵输出电压VCP会持续的累积输出电压，当输出功率越大时累积电压的速度会越快，且若是在一个固定时间的状况下累积的电压值会越大。在累积的过程当中因为最后的输出端连接于储电单元BAT，所以在累积时间Tacc之内，可以视为一个相对稳定的直流电压准位。并且因为此时输入也是稳定值，所以这段时间内输入、输出都是固定电压且稳定，所以因为操作频率f变化而得到的输出功率变化能够藉由此方式得到。

[0101] 请参考图4B，其为电荷泵输出电压VCP和输出电压VOUT的相对关系图，电荷泵输出电压VCP每充电至250mV，就会与输出电压VOUT短暂连接，将储存于电容CL上的电荷输出于储电单元BAT之中，而输出电压VOUT在此时间内为相对稳定的直流电压值，因此，电荷泵输出电压VCP会不断重新由输出电压VOUT上升充电。

[0102] 此充电至250mV的机制除了会将电荷泵输出电压VCP与输出电压VOUT产生关联之外，前述的暂存器REG1及REG2会储存累积时间Tacc内，电荷泵输出电压VCP达到250mV的次数，以用于后续在比较器COMP2比较的暂存器。一般而言，较长的累积时间Tacc可取得较准确的输出功率。暂存器REG1及REG2分别所储存之第N及第N+1次的计数结果会所藉由比较器COMP2进行比较并输出第二比较结果。当该等计数结果的后者大于前者，频率控制模组308中的频率控制单元可根据第二比较信号控制操作频率f上升，当该等计数结果的后者小于前者，频率控制单元可根据第二比较信号控制操作频率f下降，因此可得到增加或是降低操作频率的演算结果。电荷泵300的操作频率f可由数值控制振荡器NCO(numerically controlled oscillator)控制，如图3所示，数值控制振荡器NCO会根据暂存器REG1及REG2的比较结果累加或是递减，进而趋近最佳输出功率点。

[0103] 请参考图5，其为不同输出电压时(VOUT＝VBAT＝2.0,3.0,4.0V)，频率的变化对输出功率的影响和收敛位置曲线图。其中，将因为操作频率f上升而消耗电流增加的影响纳入考量，本模拟的条件为每增加100KHz将增加消耗0.5uA的输入电流量。图中个别示出不包含因操作频率上升而消耗的功率的输出功率，以及包含因频率上升而消耗的功率的输出功率。由图可知，输出功率因为本身操作频率上升而消耗功率，呈现抛物曲线特性，输出功率的最大值可对应至一个最佳的操作频率点，同时，系统也利用前述电路配置及操作流程而收敛至此最佳操作点。

[0104] 请参考图6，其为根据本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置中，电荷泵的另一实施例的示意图。如图所示，除了变动频率来改变电荷泵的等效电阻Rcp＝N/(f*Cp)，也可改变电荷泵电容Cp的电容值达到相同的效果。若用此型态则不需要数值控制振荡器NCO，而可改为固定频率的震荡器，数字比较器COMP2输出改为控制电荷泵电容Cp的电容值大小。

[0105] 请参考图7，其为根据本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置的再一实施例绘示的输出电压VOUT对时间的作图。与前述实施例不同之处在于，输出功率的大小亦可以藉由在一特定时间区间内，根据输出电压上升的大小来判断。如图所示，时间T1＝时间T2，当时间T2内到达的电压V2>时间T1内到达之电压V1时，将依前述规则增加操作频率f，反之则降低操作频率f。

[0106] 请参考图8，其为根据本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置中，频率操作单元的另一实施例的示意图。与前述实施例不同之处在于，前述的数值控制振荡器NCO亦可使用模拟积分器INT(analog integrator)及电压控制震荡器VCO(voltage controlled oscillator,VCO)共同实现。模拟积分器INT累积前述的比较结果，而电压控制震荡器VCO可进一步根据比较结果控制频率高低。

[0107] 以下将参考附图说明本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置的实施例。如图9所示，其为本发明的用于能量采集设备的功率最佳化方法的实施例的流程图，且适用于前述的功率最佳化装置的各实施例，方法包含下列步骤：

[0108] 步骤S901：以电荷泵自输入端接收能量采集设备的输入电压，并根据操作频率自输出端输出输出电压；

[0109] 步骤S902：以电压比较单元将电荷泵的输出端的电压与参考电压比较，当电荷泵的输出端的电压到达参考电压，输出第一比较信号；

[0110] 步骤S903：配置输出开关以根据第一比较信号在导通状态及关断状态之间切换；

[0111] 步骤S904：以计数器接收比较信号，并纪录在电压累积时间内，在不同的操作频率下，电荷泵的输出端的电压到达参考电压的次数，并产生复数个计数结果；以及[0112] 步骤S905：以计数暂存器储存计数器在电压累积时间中的相邻二者所分别产生的等计数结果；

[0113] 步骤S906：配置数字比较器以比较等计数暂存器内的数值并输出第二比较信号，若该等计数结果的后者大于前者，进入步骤S907，配置数值控制振荡器以依据数字比较器的结果控制操作频率上升，若该等计数结果的后者小于前者，进入步骤S908，配置数值控制振荡器以依据数字比较器的结果控制操作频率下降。

[0114] 需要说明的是，上述各步骤中的配置均与前述实施例中说明的类似，本领域技术人员可藉由前述各实施例中的说明，并参考上述步骤实行本发明的用于能量采集设备的功率最佳化方法，故省略重复叙述。

[0115] 综上所述，依本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法，藉由在不同操作频率下检测系统的输出电压，得到增加或是降低电荷泵的操作频率的演算结果，如此可动态的根据能量采集设备所输出至储电单元的电压，并考量操作频率变动造成的能量损耗，以进行操作频率的调整，进而将系统的输出功率最佳化。

[0116] 此外，本发明的用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法不需需要体积较大的电感作为储能元件，亦不需耗费能量进行开路电压的检测，除体积小可灵活适用于穿戴式装置外，亦不易受到环境温度影响，而可持续使系统输出功率最佳化。