專(zhuān)利名稱：用于射頻發(fā)送器的供電電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及借助于至少一個(gè)電池供電的射頻(RF)發(fā)送器模塊。本發(fā)明特別應(yīng)用的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是(但不限于)用于遠(yuǎn)程讀取能源表的無(wú)線模 塊，所述能源表是水表、熱能表、氣表或電表。
背景技術(shù)：
在這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，平均能耗保持在相當(dāng)?shù)偷乃剑渫ǔＪ怪軌蚴褂眯〕叽纭?小容量電池，例如3. 6伏(V)AA電池。然而，當(dāng)模塊發(fā)送RF信號(hào)時(shí)，電池必須能夠在很短 時(shí)間內(nèi)(例如大約1分鐘)遞送相當(dāng)大的瞬時(shí)電流(大約幾百毫安(mA))。該時(shí)刻所需要 的功率可能與使用小尺寸小容量電池不相容，并且通常必須找到待遞送功率、電池尺寸、工 作溫度范圍以及模塊使用壽命之間的折衷，從而在模塊的整個(gè)工作持續(xù)時(shí)間內(nèi)保證電池特 性。此外，電池的內(nèi)部阻抗將導(dǎo)致隨著增加電流峰值而增大的電壓降，并且因此通常 希望使用具有最低可能的內(nèi)部阻抗的電池。第一解決方案在于將電池尺寸設(shè)計(jì)的較大。當(dāng)然，該方案是不利的，不但在體積方 面而且還在效用方面，因?yàn)樵谶@種環(huán)境下只使用了電池可用容量的一部分，剩余部分沒(méi)有 被使用。例如文件EP 0 718 951中所公開(kāi)的另一種已知解決方案在于將電池關(guān)聯(lián)于包括 可充電電池和一個(gè)或多個(gè)超級(jí)電容器的輔助電路，該輔助電路在電池和要被供電的RF發(fā) 送模塊之間永久地并聯(lián)連接。除了在發(fā)送階段期間之外，輔助電路持續(xù)被充電從而能夠在 發(fā)送時(shí)遞送它累積的功率，同時(shí)限制電流峰值時(shí)的電池需要遞送的功率。然而，該解決方案存在一些缺陷。首先，輔助電路中的元件相當(dāng)昂貴并且難以以所要求的值在市場(chǎng)上找到。此外，在幾年或幾十年的工作時(shí)間內(nèi)(其對(duì)應(yīng)于必須為遠(yuǎn)程讀取模塊而確保的傳 統(tǒng)使用壽命)，元件的可靠性不能被保證。此外，它們的性能隨著時(shí)間迅速降級(jí)。特別地，它 們的等值串聯(lián)電阻(ESR)隨時(shí)間增大，由此限制了它們?cè)谛枰f送電流峰值時(shí)的效用。此外，這些元件通常具有較高級(jí)別的泄漏電流，這意味著電池需要被設(shè)計(jì)的較大 以減小所產(chǎn)生的能耗。最后，對(duì)于所涉及的值，這些解決方案中使用的超級(jí)電容器保留了并不是很小型 的元件。特別在文件EP 0 613 257中描述的第三已知解決方案在于將標(biāo)準(zhǔn)電容器充電到 比電池電壓要高的存儲(chǔ)電壓，然后在充電結(jié)束時(shí)以比電容器的存儲(chǔ)電壓低的電壓來(lái)遞送電 流峰值。確切地說(shuō)，該文件描述了一種用于RF發(fā)送器模塊的供電設(shè)備，該設(shè)備包括構(gòu)成電 能存儲(chǔ)電路的至少一個(gè)電容器和至少一個(gè)電池，所述電能存儲(chǔ)電路在所述電池和RF發(fā)送 器模塊之間并聯(lián)地電連接，該供電設(shè)備還包括-DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，用于在初始電容器充電階段將電容器充電至比由電池遞送的電壓更高的存儲(chǔ)電壓；-受控穩(wěn)壓器，其串聯(lián)在電容器和RF發(fā)送器模塊之間以對(duì)電容器放電并將存儲(chǔ)電 壓降低到預(yù)定電壓值，從而在放電階段期間對(duì)模塊遞送電能；和-控制模塊，適于首先在初始充電階段期間將模塊從電容器斷開(kāi)連接，并且其次在 放電階段期間將DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器從電池?cái)嚅_(kāi)連接。下面的描述具體地涉及用在電池與存儲(chǔ)電容器之間的升壓裝置。如文件EP 0 613 257中提出的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器通常用在圖1的布線圖中顯示 的電路配置中。在該圖中，負(fù)載1跨電池2的各端子而連接，電池2經(jīng)由DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器 4對(duì)電容器3充電。升壓轉(zhuǎn)換器4主要包括電感器L和串聯(lián)連接的二極管，以及用于控制 開(kāi)關(guān)40的控制裝置(未顯示)。圖2示出了開(kāi)關(guān)40的閉合/打開(kāi)狀態(tài)是如何隨時(shí)間變化 的，以及在電容器充電階段期間流經(jīng)電感器L的相應(yīng)的電流込。只要穿過(guò)電容器3的端子 的電壓\保持低于期望的存儲(chǔ)電壓值，開(kāi)關(guān)40就被交替地控制在閉合狀態(tài)(按照慣例表 示成圖2中的高狀態(tài))和打開(kāi)狀態(tài)(按照慣例表示成圖2中的低狀態(tài))。當(dāng)開(kāi)關(guān)40處于閉 合狀態(tài)時(shí)，流入電感L的電流L增加一個(gè)與開(kāi)關(guān)閉合持續(xù)時(shí)間成比例的值。當(dāng)開(kāi)關(guān)40處 于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，電流l·通過(guò)二極管D對(duì)電容器3充電。電流L因而減小一個(gè)與開(kāi)關(guān)40打 開(kāi)持續(xù)時(shí)間成比例的值。在傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器中，借助于振蕩器來(lái)控制開(kāi)關(guān)，該振蕩器生成對(duì)應(yīng)于圖2所 示的周期不變的方波周期性控制信號(hào)。當(dāng)電壓V。達(dá)到期望值時(shí)，控制信號(hào)的生成被中斷。 只要電壓V。由于負(fù)載1被激活而降低，開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的生成就被重新激活。上述操作被優(yōu)化從而能夠一旦電容器已被充電就將電流峰值遞送給負(fù)載，然后將 存儲(chǔ)電壓維持在期望值，而不管負(fù)載所要求的電流值是多少。因此，在開(kāi)始時(shí)，電流、增加 而沒(méi)有任何特定限制，并且在穩(wěn)定的條件下，電壓\保持不變并且流入電感器的電流込是 負(fù)載電流的直接函數(shù)。然而，上述操作不適用于這里所考慮的應(yīng)用，在該應(yīng)用中升壓轉(zhuǎn)換器連接到電池 從而即使是在還沒(méi)有連接負(fù)載(在這里是RF發(fā)送器模塊)的情況下也對(duì)電容器充電，并且 然后當(dāng)達(dá)到期望的存儲(chǔ)電壓Vc并且電容器連接到負(fù)載時(shí)從電池?cái)嚅_(kāi)連接。此外，已知的電路通常不能在電容器充電階段期間限制電池電流。為了避免電池 壓力過(guò)大，在這種情況下有必要在電池和升壓轉(zhuǎn)換器之間提供電流生成器或限流器。除了 由于添加附加元件而增加供電設(shè)備成本這一事實(shí)之外，電流生成器或限流器增加了損耗， 這降低了電能傳輸效率。一些已知的升壓轉(zhuǎn)換器包括限流功能，然而這些轉(zhuǎn)換器為數(shù)不多并且它們更昂貴一些。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是以低成本提供一種供電設(shè)備，該設(shè)備使用關(guān)聯(lián)于特殊類(lèi)型的控制 的升壓裝置，所述控制特別地使之能夠在電容器充電周期期間完全控制電池電流。更確切地說(shuō)，本發(fā)明提供了一種用于RF發(fā)送器模塊的供電設(shè)備，該設(shè)備包括至少 一個(gè)電池和至少一個(gè)電容器，其構(gòu)成在所述電池和RF發(fā)送器模塊之間并聯(lián)電連接的電能 存儲(chǔ)電路，該供電設(shè)備還包括用于將所述電容器充電至比由所述電池在初始充電階段期間
4遞送的電壓更高的存儲(chǔ)電壓的升壓裝置，該升壓裝置包括在所述電池和電容器之間串聯(lián)連 接的二極管和電感器，以及適于在初始充電階段期間致使電能在所述電感器中周期性地積 累然后致使所積累的電能被傳送至所述電容器的開(kāi)關(guān)裝置，所述設(shè)備還包括控制模塊，該 控制模塊適于生成用于所述開(kāi)關(guān)裝置的控制信號(hào)，以首先在初始電容器充電階段期間將所 述電容器從所述RF發(fā)送器模塊斷開(kāi)連接，然后在隨后的電容器放電階段期間將所述升壓 裝置從所述電池?cái)嚅_(kāi)連接，其特征在于，所述控制信號(hào)是預(yù)先確定的且具有可變的周期并 且適于在每個(gè)周期期間使得-所述開(kāi)關(guān)裝置閉合一固定持續(xù)時(shí)間，該固定持續(xù)時(shí)間被計(jì)算成使得流經(jīng)所述電 感器的電流從零值增加到預(yù)定限制值；和-所述開(kāi)關(guān)裝置打開(kāi)一持續(xù)時(shí)間，該持續(xù)時(shí)間是可變的并且隨著跨所述電容器端 子的電壓的變化而變化，并且被定義成使得流經(jīng)所述電感器的電流從所述預(yù)定限制值降低 到零值。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述供電設(shè)備還包括適于在所述電容器和RF發(fā)送器模塊之 間串聯(lián)連接的受控穩(wěn)壓器，所述穩(wěn)壓器將所存儲(chǔ)的電壓降低至預(yù)定電壓值以在放電階段期 間對(duì)所述模塊供電。所述控制模塊優(yōu)選地適于在電流峰值遞送時(shí)刻之前的足以使得所述電容器被完 全充電的時(shí)刻，直接在遞送電流峰值之前觸發(fā)所述充電階段。本發(fā)明還提供了 一種用于度量能源并且包括這種供電設(shè)備的遠(yuǎn)程讀取模塊。


參考附圖，通過(guò)閱讀下面對(duì)根據(jù)本發(fā)明的供電設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例的描述，能更好 地理解本發(fā)明及其提供的優(yōu)點(diǎn)，其中-圖1示出了用于RF發(fā)送器的現(xiàn)有技術(shù)電池供電設(shè)備，該設(shè)備包括用作升壓裝置 的DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器；-圖2是說(shuō)明圖1的轉(zhuǎn)換器如何被控制以及相應(yīng)的電容器充電電流出現(xiàn)的時(shí)序 圖；-圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的用于RF發(fā)送器的電池供電設(shè)備；-圖4是說(shuō)明一種用于控制圖3的升壓裝置的特定方式以及相應(yīng)的電容器充電電 流出現(xiàn)的時(shí)序圖；和-圖5a至5c說(shuō)明了電壓如何被存儲(chǔ)于電容器中以及控制信號(hào)的參數(shù)之一如何隨 時(shí)間變化，該圖是通過(guò)仿真獲得的。
具體實(shí)施例方式圖3示出了構(gòu)成本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的供電設(shè)備。該設(shè)備用于從電池2經(jīng)由升壓裝 置4’對(duì)標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)電容器3供電，然后當(dāng)RF模塊5被激活時(shí)使得電容器3放電。該設(shè)備優(yōu) 選地還在存儲(chǔ)電容器下游包括降壓裝置6，該降壓裝置使之能夠在電容器3放電以饋送RF 模塊5時(shí)從所存儲(chǔ)的電壓降低至所述模塊所需要的電壓。還回想到，在優(yōu)選實(shí)施例中，RF模 塊沒(méi)有在充電階段期間連接到電容器，并且在電容器放電階段期間，電容器不再連接到電 池2。這是通過(guò)由微處理器型的控制模塊9所控制的兩個(gè)開(kāi)關(guān)裝置7和8來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
下面，將只描述電容器充電階段期間(開(kāi)關(guān)裝置7閉合而開(kāi)關(guān)裝置7打開(kāi))的情 形。如圖3所示的根據(jù)本發(fā)明所使用的升壓裝置4’在結(jié)構(gòu)上與參考圖1所描述的升 壓轉(zhuǎn)換器4相似，假設(shè)它們包括在電池2與存儲(chǔ)電容器3之間串聯(lián)連接的電感器L和二極 管D，以及開(kāi)關(guān)40’。然而，與DC-DC轉(zhuǎn)換器的相似之處到此為止。在優(yōu)選但非限制性的所 設(shè)想的應(yīng)用中，升壓裝置4’的作用是在電容器充電階段期間將通常約為3V的電池電壓升 高到通常在30V到60V之間的預(yù)定電壓值。還期望將電流限制在例如IOmA的值。本發(fā)明的特殊特征在于開(kāi)關(guān)40’在電容器充電階段期間被控制的方式，其控制信 號(hào)有利地由已存在于所述設(shè)備中的微處理器型控制模塊9來(lái)遞送。這在下文參考圖4來(lái)描 述。如在圖2中那樣，控制信號(hào)S。是在開(kāi)關(guān)40’閉合的持續(xù)時(shí)間Tffl與開(kāi)關(guān)40’打開(kāi) 的持續(xù)時(shí)間Ttw之間交替的周期信號(hào)，然而控制信號(hào)的周期是可變的。更確切地說(shuō)，在對(duì)應(yīng) 于電容器3充電階段或周期的整個(gè)持續(xù)時(shí)間中，開(kāi)關(guān)40’處于閉合狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間Tw對(duì)于 每個(gè)周期而言都是固定的，并且對(duì)應(yīng)于一個(gè)預(yù)定值，該預(yù)定值使得電流l·在零值至與電池 可承受的值相容的最大允許值相對(duì)應(yīng)的預(yù)定義值之間變化。相反，開(kāi)關(guān)40’處于打開(kāi)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間Ttw對(duì)于每個(gè)周期都是變化的，該變化被 計(jì)算成使得流經(jīng)電感器L的電流L減小至零。因此，在隨后的持續(xù)時(shí)間Tffl期間，保證電流 Il實(shí)際上從零值開(kāi)始，并且經(jīng)過(guò)電感器L的平均電流Itog不增加。在持續(xù)時(shí)間Ton期間，電感器L中的電流增加量Δ Il+由下面的關(guān)系式給出AIl + = [Ilpeak 一θ)=^ΤΟΝ(I)其中，Vdc是跨電池2端子的電壓。在關(guān)系式⑴中，Vdc和L的值是常數(shù)，并且Iureak的值是預(yù)先確定的，因此這使之 能夠計(jì)算固定值Τ,使用下面作為示例而給出的值L = 1 毫亨(mH)C (電容器3的電容)=1毫法拉(mF)Vdc = 3VILpeak = IOmA = 2XILavg
獲得 Ton = 3. 33 微秒(μ s)。此外，在Ttw期間，流入電感器的電流減小一個(gè)值Δ Il-,該值等于電流增加值 Δ I夕，并且可以利用下面的關(guān)系式寫(xiě)出
(II) 在關(guān)系式(II)中，VD。和L的值是常數(shù)，并且Δ Il+的值被預(yù)先確定成使得持續(xù)時(shí) 間Ttw僅取決于跨電容器3端子的電壓\。用于改變電壓V。的關(guān)系式可以從下面的關(guān)系式中確定，下面的關(guān)系式表示由電感 器L在兩個(gè)連續(xù)的控制信號(hào)周期之間傳送至電容器3的電能

(III)其中，索引η對(duì)應(yīng)于控制信號(hào)的當(dāng)前周期，而索引(η-1)代表前一個(gè)周期。通過(guò)組合關(guān)系式(II)和(III)，因而能夠確定Ttw在每個(gè)控制信號(hào)周期中的值。盡管持續(xù)時(shí)間Ttw可以通過(guò)測(cè)量電壓Vc然后借由應(yīng)用上面的關(guān)系式來(lái)計(jì)算持續(xù)時(shí) 而被實(shí)時(shí)地確定，然而本發(fā)明利用這一事實(shí)，即在預(yù)期的應(yīng)用中，充電階段結(jié)束時(shí)的
電壓\的期望值是事先已知的，由此使之能夠完全地預(yù)先定義控制信號(hào)Sc的特性，即其整 個(gè)持續(xù)時(shí)間(周期數(shù)目)，以及針對(duì)每個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間Ton和TQFF。圖5a至5c示出了仿真結(jié)果，該仿真采用上述作為非限制性實(shí)例的元件值，并且設(shè) 置了充電電壓V。，該充電電壓在充電階段結(jié)束時(shí)的期望值是30V。更確切地說(shuō)-圖5a示出了跨電容器(ImF)端子的電壓Vc如何在應(yīng)用上面的關(guān)系式(III)中 隨周期的變化而變化；-圖5b示出了持續(xù)時(shí)間Ttw如何隨周期的變化而變化(組合上面的關(guān)系式(II) 和(III))；和-圖5c示出了持續(xù)時(shí)間Ttw如何隨時(shí)間而變化。因此，可以看出，在電容器充電階段期間，持續(xù)時(shí)間Ttw隨時(shí)間減小。信號(hào)S。的特性因而完全被預(yù)先定義，并且它們被存儲(chǔ)在設(shè)備中以由控制模塊9在 每個(gè)充電周期使用。借助于本發(fā)明，確保由電池在電容器充電階段期間遞送的電流實(shí)際上限于最大選 擇值，并且這可以在不必使用任何昂貴的附加元件的情況下而達(dá)到。此外，通過(guò)避免使用附加元件，能耗可能只限于電感器L、二極管D和開(kāi)關(guān)40’。本 發(fā)明的設(shè)備因而使得電能能夠被高效傳送，通常優(yōu)于80%。此外，與控制信號(hào)S。的總預(yù)定義持續(xù)時(shí)間相對(duì)應(yīng)的電容器充電階段的總持續(xù)時(shí)間 在這里被縮減到嚴(yán)格最小，因?yàn)樵诔潆娖陂g總是使用相同的平均電流Itog。最后，最為有利的是，事先知道對(duì)電容器充電所需要的總持續(xù)時(shí)間這一事實(shí)使得 控制模塊9能夠確切地知道它何時(shí)需要通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)裝置7并同時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)裝置8而觸發(fā) 電容器充電階段。控制模塊9因而適于在相對(duì)于遞送電流峰值的時(shí)刻而言足以確保電容器 3被完全充電的時(shí)刻，直接在遞送電流峰值之前觸發(fā)所述第一充電階段。
權(quán)利要求
一種用于RF發(fā)送器模塊(5)的供電設(shè)備，所述設(shè)備包括至少一個(gè)電池(2)和至少一個(gè)電容器(3)，它們構(gòu)成在所述電池和所述RF發(fā)送器模塊之間并聯(lián)電連接的電能存儲(chǔ)電路，所述供電設(shè)備還包括用于將所述電容器充電至比由所述電池在初始充電階段期間所遞送的電壓更高的存儲(chǔ)電壓的升壓裝置(4’)，所述升壓裝置(4’)包括在所述電池(2)與所述電容器(3)之間串聯(lián)連接的電感器(L)和二極管，以及適于在所述初始充電階段期間使得電能在所述電感器中被周期性地積累并且然后使得所積累的電能被傳送至所述電容器的開(kāi)關(guān)裝置(40)，所述設(shè)備還包括控制模塊(9)，該控制模塊適于生成用于所述開(kāi)關(guān)裝置(40)的控制信號(hào)(SC)，從而首先在所述初始電容器充電階段期間將所述電容器(3)從所述RF發(fā)送器模塊(5)斷開(kāi)連接，其次在隨后的電容器放電階段期間將所述升壓裝置(4’)從所述電池(2)斷開(kāi)連接，其特征在于，所述控制信號(hào)(SC)被預(yù)先確定并且具有可變周期，并且適于在每個(gè)周期期間使得 所述開(kāi)關(guān)裝置閉合一固定持續(xù)時(shí)間(TON)，該固定持續(xù)時(shí)間被計(jì)算成使得流經(jīng)所述電感器的電流(IL)從零值增加到預(yù)定義限制值(ILpeak)；和 所述開(kāi)關(guān)裝置打開(kāi)一持續(xù)時(shí)間(TOFF)，該持續(xù)時(shí)間是可變的并且隨著跨所述電容器端子的電壓(VC)的變化而變化，并且被定義成使得流經(jīng)所述電感器的電流(IL)從所述預(yù)定義限制值(ILpeak)減小至零值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的供電設(shè)備，其特征在于，還包括適于在所述電容器(3)與所 述RF發(fā)送器模塊(5)之間串聯(lián)連接的受控穩(wěn)壓器(6)，所述穩(wěn)壓器(6)將所存儲(chǔ)的電壓減 小至預(yù)定電壓值以在放電階段期間對(duì)所述模塊(5)供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的供電設(shè)備，其特征在于，所述控制模塊(9)適于在電流峰 值遞送時(shí)刻之前的足以使得所述電容器(3)被完全充電的時(shí)刻，直接在遞送所述電流峰值 之前觸發(fā)所述充電階段。
4.一種用于能源表的遠(yuǎn)程讀取模塊，其特征在于，包括根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所 述的供電設(shè)備。全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于RF發(fā)送器模塊(5)的供電設(shè)備，該設(shè)備包括在電池(2)與RF發(fā)送器(5)之間并聯(lián)電連接的至少一個(gè)電池(2)和至少一個(gè)電容器(3)，和用于將電容器(3)充電至比由電池在初始充電階段期間所遞送的電壓更高的存儲(chǔ)電壓(VC)的升壓裝置(4’)，該升壓裝置(4’)包括串聯(lián)的電感器(L)和二極管(D)，以及適于在存儲(chǔ)階段期間周期性地使得電能被積累在電感器(L)中并且然后將所積累的電能傳送給電容器(3)的開(kāi)關(guān)(40’)。根據(jù)本發(fā)明，開(kāi)關(guān)控制信號(hào)(SC)被預(yù)先確定并且具有可變周期，從而在每個(gè)周期期間使得開(kāi)關(guān)裝置(40’)閉合一固定持續(xù)時(shí)間，該固定持續(xù)時(shí)間被計(jì)算成使得流經(jīng)電感器(L)的電流從零值增加到預(yù)定義限制值；和，開(kāi)關(guān)裝置打開(kāi)一持續(xù)時(shí)間，該持續(xù)時(shí)間是可變的且隨著跨電容器(3)的電壓(VC)的變化而變化，并且被定義成使得流經(jīng)電感器(L)的電流從預(yù)定義限制值減小至零值。
文檔編號(hào)H02M3/156GK101911459SQ200980102065
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者S·貝爾圖 申請(qǐng)人:阿克塔銳斯兩合公司