專利名稱：以脈寬周期控制來影響電源消耗的脈寬控制式直流-直流轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法，其通過電感器運(yùn)載電流的方法把直流電源
(DC power)轉(zhuǎn)換為電池充電電源，且此電流在一可調(diào)整的脈寬周期部 分期間由電源控制器所控制。
本發(fā)明還涉及一種電壓轉(zhuǎn)換的裝置，其包括連接至直流源的直流一 直流轉(zhuǎn)換器，且所述直流一直流轉(zhuǎn)換器提供電感器，電源控制器連接至 此轉(zhuǎn)換器，并提供脈寬調(diào)制器，用來在一可調(diào)整的脈寬周期部分控制電 感器電流，以對(duì)電池進(jìn)行充電。
舉例來說，如此的一種方法和裝置可應(yīng)用在可充電式設(shè)備上，例如， 移動(dòng)電話、膝上型輕便電腦(laptops)、電子記事本(organisers)、庭園 燈、道路警示標(biāo)志(road studs)，以及其他由一個(gè)或一個(gè)以上太陽能電 池或燃料電池供電并配備有可充電式電池或蓄電池的裝置，以供應(yīng)負(fù)載 電源，例如一光源，諸如一個(gè)或一個(gè)以上發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
包括一直流一直流轉(zhuǎn)換器的現(xiàn)有裝置，其將電池(cell)所提供的電 源轉(zhuǎn)換為直流電源，以適合分配電源給電池(battery)和/或負(fù)載。 一般 來說，此裝置還包括有一電源控制器連接至轉(zhuǎn)換器，以控制此轉(zhuǎn)換器的 直流電源輸出，使得此轉(zhuǎn)換器的效率可盡量提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種方法與裝置，其具有改善和降低電源消 耗的能力。
此外，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于此脈寬周期是可調(diào)整的，以影響電源控制器的電源消耗。
因此，根據(jù)本發(fā)明的裝置的特征在于此電源控制器包括有調(diào)整所述 脈寬周期的裝置，所述可調(diào)整式裝置是可控制的，以影響此電源控制器 的電源消耗。
根據(jù)本發(fā)明的方法與裝置的優(yōu)點(diǎn)在于，在實(shí)踐方面不應(yīng)只著重于使 此直流—直流轉(zhuǎn)換器的效率優(yōu)化，反而考慮優(yōu)化轉(zhuǎn)換器與電源控制器結(jié) 合的電源消耗才是最重要的。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)此電源控制器耗費(fèi)大部分的 總電源來轉(zhuǎn)換和控制直流輸出電源，特別是但不限定于在低電源輸出周
期的期間。電感器電流的控制與切換是通過一脈寬調(diào)制器(Pulse Width Modulator, PWM)來完成，此調(diào)制器通常在某些特定周期的范圍內(nèi)運(yùn) 作，此時(shí)所述電感器電源的脈寬調(diào)制器才產(chǎn)生作用。由此可發(fā)現(xiàn)，電源 控制器轉(zhuǎn)換器(power controller converter)用來將直流輸入電源轉(zhuǎn)換為 直流輸出電源的電源消耗，會(huì)受到這些通常遭限制與固定的脈寬調(diào)制器 周期所影響。
根據(jù)本發(fā)明的方法的一實(shí)施例，其特征在于脈寬周期的延長可以減 少此電源控制器的電源消耗。
根據(jù)本發(fā)明的方法的一優(yōu)選實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)，其特征在于此脈寬周期 是從一位于電源控制器內(nèi)的微處理器的時(shí)鐘頻率(clock frequency)所推 算出來。如此，此脈寬調(diào)制器周期可僅通過減少此電源控制器的時(shí)鐘頻 率而有效地減少，然后，所述時(shí)鐘頻率的減少會(huì)減少微處理器控制電源 控制器本身的電源消耗，進(jìn)而提供更有優(yōu)勢的結(jié)合性能功效。
根據(jù)本發(fā)明的方法的一優(yōu)選實(shí)施例，其特征在于通過適當(dāng)?shù)亟档痛?電源控制器的電池供應(yīng)電壓，此電源控制器的電源消耗甚至可減少更多。
根據(jù)本發(fā)明的方法與裝置的更多優(yōu)點(diǎn)與優(yōu)選實(shí)際實(shí)施例詳細(xì)闡述于 其他附屬權(quán)利要求中。
下文通過具體實(shí)施例配合所附的圖式詳加說明，將更容易了解本發(fā) 明的目的、技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)及其所實(shí)現(xiàn)的功效。


第1圖是展示包含有本發(fā)明特征的電源轉(zhuǎn)換裝置的概要方框示意
第2圖是展示第1圖的裝置的詳細(xì)示意圖；以及
第3圖是展示根據(jù)本發(fā)明的方法的脈寬和脈寬周期控制的時(shí)間曲線圖。
具體實(shí)施例方式
第1圖是展示一概要的方框示意圖，第2圖則是展示此示意圖的直 流電源轉(zhuǎn)換裝置1的更詳細(xì)示意圖，特別是電壓升壓轉(zhuǎn)換器(voltage up —converter),也稱為升壓轉(zhuǎn)換器(boost converter),包括直流電源2， 例如燃料電池， 一個(gè)所謂的超級(jí)電容器或是一個(gè)或一個(gè)以上太陽能電池， 以負(fù)載一個(gè)或一個(gè)以上電池BATT1，例如鎳一鎘電池、鋰離子聚合物電 池或鋰聚合物電池。此裝置1更包括直流一直流轉(zhuǎn)換器，以參考圖號(hào)3 表示，此直流一直流轉(zhuǎn)換器3連接到此直流電源2。此直流一直流轉(zhuǎn)換 器3具有電感器L2，其電感器電流IL2周期性地受所述裝置1的電源控 制器5所控制，此電源控制器5經(jīng)由控制端TP2連接到直流一直流轉(zhuǎn)換 器3。此控制端TP2經(jīng)由一所謂的圖騰柱驅(qū)動(dòng)器(Totempole driver)連 接到電源控制器5，此圖騰柱驅(qū)動(dòng)器包括有可控制的半導(dǎo)體T3和T4， 其由一般用途的微處理器IC1所控制。此電源控制器5包括一知名的脈 寬調(diào)制器(圖中未示)，用以控制所述電感器電流IL2，在連續(xù)不斷的脈 寬周期P的可調(diào)整區(qū)塊尺寸部分期間，其為第3圖中上半部的TP2所標(biāo) 示。在此情況下，在周期P內(nèi)，此脈沖的下降邊緣是根據(jù)在電源控制器 5內(nèi)載有的功率點(diǎn)追蹤算法(power point tracking algorithm)而變化的(以 箭頭標(biāo)示)。這樣的算法經(jīng)裝配并微調(diào)來優(yōu)化其最大功率，而不是最大轉(zhuǎn) 換效率，此裝置1整個(gè)輸出到一負(fù)載，如圖所示的一個(gè)或兩個(gè)發(fā)光二極 管D2和D3。此發(fā)光二極管可啟動(dòng)或關(guān)閉或閃爍，無論是否以一些可調(diào)
6整式頻率的輪流方式。在此，這些發(fā)光二極管是以電池BATT1來驅(qū)動(dòng)， 假如有足夠數(shù)量的太陽能提供給此太陽能電池2，電池BATT1可同時(shí)被 裝置1負(fù)載，太陽能電池連同電池于是形成實(shí)際的直流源2。
第3圖是為了解脈寬調(diào)制器周期P控制操作的必要圖式。在第3圖 上方所標(biāo)示區(qū)塊部分TP2的期間，此電感器電流IL2增加，且由于此電 流在TP2的下降邊緣處截?cái)?，使得電感器線圈L2將提供一感應(yīng)電壓 (induction voltage),其經(jīng)由半導(dǎo)體元件D5和T6提供經(jīng)控制的整平電池 電流(controlled leveled off battery current)來負(fù)載所述電池。這個(gè)程序 本身將在隨后的周期P期間不斷重復(fù)。P通常為一固定持續(xù)期間，且通 過在此模式中變化周期P內(nèi)的下降邊緣，使此負(fù)載受到上述算法的優(yōu)化 控制，持續(xù)追蹤落到太陽能電池2上的光照量。此電源控制器5包括在 所述微處理器控制器中執(zhí)行調(diào)整的工具，以調(diào)整在另一模式的延長脈寬 周期P'的期間，如第3圖的下方圖表所示，其中此新周期P'的期間大概 是原本周期P的兩倍。此脈寬調(diào)制器頻率(1/F)的下移(lowering)導(dǎo) 致此電源控制器5的電源消耗的減少。調(diào)整工具(adjusting means)使此 周期P'變?yōu)榭煽刂频?，且因此而影響此電源控制器的電源消耗，此?yīng)用 于所述裝置l來節(jié)省電源，否則，電源會(huì)因?yàn)檩^短的脈寬調(diào)制器周期P' 的期間而浪費(fèi)。在某些國家例如我們國家的日光并未如愿能達(dá)到有效衍 生足夠太陽能的效果，而此裝置1現(xiàn)在變得可利用太陽能來驅(qū)動(dòng)更廣泛 的設(shè)備，甚至在較低的太陽能標(biāo)準(zhǔn)足夠模式所控制的能源，現(xiàn)在變?yōu)榭?對(duì)電池2充電和/或用以驅(qū)動(dòng)負(fù)載D2、 D3。
當(dāng)然，在一個(gè)具有較短P'周期的主動(dòng)充電模式與一個(gè)具有較長P'周 期的減少電源消耗控制器模式之間進(jìn)行電源控制器5的切換是可行的。 在前者模式期間，此電感器電流IL2強(qiáng)度是通過此脈寬周期的所述部分 TP2的正常調(diào)整來控制；以及在后者模式期間，此脈寬周期P'被延長， 且現(xiàn)在的脈寬部分TP2'已經(jīng)調(diào)整。
太陽能電池設(shè)備的一個(gè)重要目標(biāo)是在所有日光狀態(tài)下從太陽能電池取出最大功率?；趯?duì)太陽能電池的認(rèn)知，當(dāng)此太陽能電池的開路端(無
負(fù)載)電壓(open terminal voltage)有例如大約為80%的比例被上述算 法使用，所述電源控制器5將至少會(huì)為了負(fù)載電池BATTl而要忙于功率 點(diǎn)追蹤(power point tracking)。假如此開路端電壓下降低于所述80%， 此太陽能電池電流為低，于是所述電源控制器5由其轉(zhuǎn)換器模式切換為 低電源消耗(睡眠)模式，而在此期間的脈寬周期被延長，但此期間的 負(fù)載(發(fā)光二極管)電流則被加以控制了。更有利的是，此最大功率控 制策略無須任何電流測量工具，也不需要利用測量電流來控制電流，此 舉可節(jié)省成本、其體積以及珍貴的能源。實(shí)際上，此太陽能電流不需要 被測量還是會(huì)被計(jì)算出來，其與一些磁滯現(xiàn)象(hysteresis) —起用在切 換點(diǎn)之間，以在所述轉(zhuǎn)換器模式與所述睡眠模式間進(jìn)行實(shí)際切換。
在短瞬間，此開路端電壓被定期的測量，以達(dá)到控制策略的溫度校正。
有效地實(shí)施一方法和采取必要的技術(shù)措施，以便從一時(shí)鐘頻率產(chǎn)生 出相對(duì)應(yīng)的脈寬頻率，此時(shí)鐘頻率是由一本地的可能為內(nèi)部的時(shí)鐘所提 供。此時(shí)鐘產(chǎn)生器通常連接到分配器(divider),而產(chǎn)生器或振蕩器通常 包含在所述電源控制器5的微處理器IC1內(nèi)。再者，時(shí)鐘頻率的降低會(huì) 減少如此一電源控制器的電源消耗，此時(shí)的減少更具有剩余效應(yīng)(surplus effect)以提供額外的電源減少；其原因之一是由于所述時(shí)鐘頻率的降低， 且另一原因則是脈寬調(diào)制器頻率的降低。
第1圖和第2圖是顯示省電源的更多特征。其中半導(dǎo)體元件T6也 受電源控制器5所控制，在有些情況下，半導(dǎo)體元件T6完全絕緣電源 與電池，以防止漏電流通過二極管D5。 二極管D5也可為一肖特基二極 管(Schottky diode),此肖特基二極管(Schottky diode)已知具有溫度 相依性漏電流的重要特性，如果不是因?yàn)樯鲜鎏卣?，則會(huì)因此而用盡電 池。 同樣地，半導(dǎo)體元件T4是受電源控制器5所控制，實(shí)際上是絕緣所述電池與所述負(fù)載D2、 D3，或是作為一半導(dǎo)體切換，其利用切換電 壓(大約為0.6伏特)來降低所述微處理器電源控制器5的供應(yīng)電壓VDD， 因此可有效地減少此電源控制器5的電源消耗。在此實(shí)例中，T4對(duì)于此 電源控制器5至少是作為一個(gè)可切換控制器供應(yīng)減少電壓的工具。
此外，負(fù)載D2、 D3的電源消耗可能會(huì)被一可控制式平行排列的數(shù) 電阻R6和R11-R27所影響和優(yōu)化，所述電阻一方面作為分壓器(voltage divider)連接到電池與負(fù)載之間的路徑上，而另一方面則連接到電源控 制器5，以適當(dāng)?shù)匕蚺懦鲭娮杵鳌８邭W姆電阻R9和R10是用 以防止IC1輸出不必要的輸出電流(unwantedly drawing output currents )。
此電源控制器5包括一般已知的解碼工具(圖中未示)，其連接到直 流源2和電源控制器5的引腳(pin) 4，只要一預(yù)設(shè)的太陽光序列匹配 于存儲(chǔ)在電源控制器5的內(nèi)部存儲(chǔ)器的序列，即能啟動(dòng)所述電源控制器 5。在啟動(dòng)所述電源控制器5后，所述電源控制器則從睡眠模式被喚醒變 為主動(dòng)控制所述電感器電流IL2。
此電源控制器5的引腳18連接到紅外線(IR)感應(yīng)半導(dǎo)體元件T5， 以通過紅外線照射在T5的方法來對(duì)所述電源控制器5編程。
以上所述的實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想和特點(diǎn)，其目的在使 所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，不能以之限定 本發(fā)明的專利范圍，即凡是依本發(fā)明所揭示的精神所作的均等變化或修 飾，仍應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。
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權(quán)利要求
1.一種方法，其是通過電感器運(yùn)載電流的方法將直流電源轉(zhuǎn)換為電池充電電源，所述電流在可調(diào)整的脈寬周期部分期間受電源控制器所控制，其特征在于所述脈寬周期是可調(diào)整的，且影響所述控制器的電源消耗。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述脈寬周期的延長可減少所述電源控制器的電源消耗。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中在主動(dòng)充電模式時(shí)，所述電感器電流強(qiáng)度是通過調(diào)整所述脈寬周期部分來控制；以及在減少電源消耗控制器模式時(shí)，所述脈寬周期是被延長的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述脈寬周期是從位于所述電源控制器內(nèi)的微處理器的時(shí)鐘頻率推算出來的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中減少所述時(shí)鐘頻率則可更進(jìn)一步減少所述電源控制器的電源消耗。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其中所述電源控制器的所述時(shí)鐘頻率是由內(nèi)部振蕩器所產(chǎn)生。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一權(quán)利要求所述的方法，其中通過所述電源控制器的電池供應(yīng)電壓的減少，可更進(jìn)一步減少所述電源控制器的電源消耗。
8. —種電源轉(zhuǎn)換裝置，包括直流一直流轉(zhuǎn)換器，連接到直流源，并提供電感器；電源控制器，連接到所述直流一直流轉(zhuǎn)換器，并提供脈寬調(diào)制器，用以在可調(diào)整的脈寬周期部分，對(duì)電池進(jìn)行充電；其特征在于所述電源控制器包括調(diào)整所述脈寬周期的工具，所述調(diào)整工具是可控制的，以影響所述電源控制器的電源消耗。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述裝置包括減少電源控制器供應(yīng)電壓的工具。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述減少電源控制器供應(yīng)電壓的工具可能為可控制式的半導(dǎo)體元件，其串接于所述電池與所述電源控制器的供應(yīng)電壓端之間的路徑上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8到10中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述裝 置包括有可控制式平行排列的電阻，其一方面作為分壓器(voltage divider)連接到所述路徑和經(jīng)由負(fù)載連接到所述電池，而另一方面則連 接到所述電源控制器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8到11中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述裝 置包括有抗漏電元件，其串接到所述電感器與所述電池之間的路徑上。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述抗漏電元件是可控制式 半導(dǎo)體的可控制式主要串流路徑，其耦接到所述電源控制器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的裝置，其中所述抗漏電元件包括單 向?qū)щ姲雽?dǎo)體，例如二極管或肖特基二極管。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8到14中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述電 源控制器包括解碼工具，連接到所述直流源，所述直流源裝配有一個(gè)或 一個(gè)以上太陽能電池，當(dāng)檢測到預(yù)設(shè)的太陽能光序列時(shí)，即啟動(dòng)所述電 源控制器。
16. 根據(jù)權(quán)利要求8到15中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述裝 置排列成道路警示標(biāo)志，包括一個(gè)或一個(gè)以上太陽能電池作為直流源， 而可充電電池，例如鎳一鎘電池或鋰聚合電池，以及一個(gè)或一個(gè)以上發(fā) 光二極管，以作為負(fù)載。
全文摘要
本發(fā)明描述一種方法，通過電感器運(yùn)載電流而將直流電源轉(zhuǎn)換為電池充電電源，所述電流在可調(diào)整的脈寬周期部分期間由電源控制器所控制。所述脈寬周期是可加以調(diào)整的，以影響所述控制器的電源消耗，所述控制器消耗用來控制直流-直流轉(zhuǎn)換所消耗總電源的大量電源。提供數(shù)個(gè)額外的特征來改善效率，并進(jìn)一步減少轉(zhuǎn)換器和所述電源控制器兩者的消耗的電源，其提供多種具有太陽能電池的產(chǎn)品和設(shè)備的新用途，例如道路警示標(biāo)志。
文檔編號(hào)H02J9/00GK101682211SQ200780052459
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者安妮·朱詹·奧新咖, 杰克波斯·哈門·思齊菲侖, 簡·萬訥, 門諾·卡多路斯 申請(qǐng)人:Intivation股份有限公司