專利名稱：特別供鐘表使用的光電電源的電壓斬波放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于光電轉(zhuǎn)換操作的電源的電壓提升器。
更具體而言，本發(fā)明涉及按照光電電源提供給它負(fù)載的電流的周期性斬波的原理操作的電壓提升器。
連接到光電電源或光電池的這類型的電壓提升器特別適合于確保小能量消耗裝置例如鐘表，特別是手表，或鬧鐘，小型運(yùn)算器，小型收音機(jī)，紅外線或無(wú)線電遙控，無(wú)繩電話，GPS接收機(jī)等等的電能供應(yīng)。這些小型功能裝置具有自備的電源供應(yīng)和包括電儲(chǔ)能器作為保持從光電電源充電的電池負(fù)載。這個(gè)發(fā)明可能應(yīng)用的列表已經(jīng)給出了但顯然絕不限制于此。
確保這些低功率消耗裝置的電源供給的當(dāng)前使用的光電電源或光電池典型地每一元件提供0.3至0.6V，不管它們是半導(dǎo)體或光化學(xué)型。然而，電路需要不能低于1V的供給電壓，所以幾個(gè)這樣的電池通常串聯(lián)在一起以確保提供這樣的電壓。
由于美學(xué)原因，空間原因，價(jià)格等等(這些標(biāo)準(zhǔn)在微型鐘表制造技術(shù)是關(guān)鍵的)，通常尋求的設(shè)計(jì)方案，其中單個(gè)光電池是可以確保該裝置的電源供給。
這可以看出，可由單個(gè)光電池提供的低電壓和為操作上述類型裝置所需的流行的集成電路所需的電壓之間存在著理論上的不兼容性。
德國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朌OS 2900622中已經(jīng)提出了克服該不兼容性的解決方案，它公開(kāi)了能夠轉(zhuǎn)換由電池提供的電壓為施加到負(fù)載的電壓的電壓斬波放大器，在這種情況下，它企圖對(duì)儲(chǔ)能器進(jìn)行充電。
為此目的，電池通過(guò)串聯(lián)的電感線圈和阻塞二極管連接到它的負(fù)載，在這兩個(gè)元件之間的節(jié)點(diǎn)通過(guò)開(kāi)關(guān)晶體管周期地接地，使得電感線圈能交替地存儲(chǔ)和釋放磁能以供給電源到它的負(fù)載。
為了增加轉(zhuǎn)換輸出，前述專利文件提出了調(diào)節(jié)斬波率，或換言之開(kāi)關(guān)晶體管的連續(xù)導(dǎo)通和阻斷期間，或這晶體管的控制信號(hào)的占空度。這樣的調(diào)節(jié)是由單穩(wěn)觸發(fā)器完成的，它的時(shí)間常數(shù)作為照射電池的光量的函數(shù)變化。這樣電路也可以被考慮為負(fù)載變動(dòng)是環(huán)境亮度函數(shù)的太陽(yáng)能電池。
在publication Elektronik 2087，39(1990)，27April，No9，Munich，DE的文章中可知類似的電路。晶體管的開(kāi)關(guān)點(diǎn)可以由手控電位器調(diào)節(jié)，依照文章作者的推薦，該電位器對(duì)于最大照明(全日光)必須被調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)值。
然而，關(guān)于這類型光電池的本專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人所做的測(cè)試表明，對(duì)于給定亮度照射電池，對(duì)于跨越電池兩端的相對(duì)好的確定值而獲得最佳輸出功率值。

圖1的附加圖示出了，其中橫跨電池的電壓U以伏為單位引入橫標(biāo)，另一方面輸出功率P以μW作為函數(shù)(功率曲線A和B)，另一方面運(yùn)載電流I以μA為函數(shù)(電流曲線C)。用照度1000lux(勒克司)(曲線A和C)和照度2000lux(曲線B)分別決定兩功率曲線。
問(wèn)題中的圖以示例的方式描述了TiO2太陽(yáng)能電池的性能，輸出功率是最大的電壓值是在0.5伏左右，隨著照度在相對(duì)有限范圍內(nèi)增加，該值略偏向圖的右邊。已經(jīng)注意到，其它類型的太陽(yáng)能電池有類似的圖，對(duì)給定輸出功率的最適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)電壓值可以因電池的類型不同而變化。
本發(fā)明的目標(biāo)是提供以前指明類型的電壓提升器，其中優(yōu)點(diǎn)從這些發(fā)現(xiàn)中得出，使得該電壓提升器以最好的接近總是實(shí)際上提供最大的功率到它的負(fù)載，而無(wú)論太陽(yáng)能電池暴露在怎樣的照度下。
本發(fā)明涉及由光電池提供低電壓的電壓提升器被安排施加到負(fù)載，所說(shuō)的電壓提升器包括在所說(shuō)電池和所說(shuō)負(fù)載之間串聯(lián)連接的電感線圈和阻塞二極管，在所說(shuō)電感線圈和所說(shuō)二極管之間的節(jié)點(diǎn)通過(guò)開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件連接到所說(shuō)電池和所說(shuō)負(fù)載之間的公共節(jié)點(diǎn)，所說(shuō)電壓提升器還包括調(diào)節(jié)裝置以施加脈沖控制信號(hào)(Fc)到所說(shuō)的開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件，它的占空度是可調(diào)節(jié)的，其特征在于，所說(shuō)的調(diào)節(jié)裝置是如此安排的，以調(diào)節(jié)占空度，使得跨在所說(shuō)電池兩端的電壓(Vsc)實(shí)質(zhì)上等于實(shí)際上對(duì)應(yīng)所說(shuō)電池電壓—功率(A，B)特性曲線上的最大值的預(yù)定的電壓(Vopt)。
通過(guò)下面的描述，參照附圖僅以示例的方式給出，發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯；已經(jīng)描述的圖1是描述供依本發(fā)明提升器使用的光電池性能的圖；圖2是依本發(fā)明電壓提升器的簡(jiǎn)化的圖；圖3示出了在圖2的電壓提升器內(nèi)使用的占空度變化塊的實(shí)施例的實(shí)例；
圖4示出了呈現(xiàn)在依本發(fā)明的電壓提升器內(nèi)呈現(xiàn)的幾個(gè)波形。
圖2示出了依本發(fā)明在這里以示例的方式例如在鐘表中使用的電壓提升器的優(yōu)選的示例。
它包括了例如由單個(gè)元件形成的光電池或太陽(yáng)能電池1，它例如提供0.5伏的標(biāo)準(zhǔn)電壓Vsc。它可以是任何半導(dǎo)體或光化學(xué)類型光電池，例如TiO2電池。提供它跨越地電極2和正極3的電壓Vsc。電感線圈4和二極管5例如肖特基二極管串聯(lián)連接在端點(diǎn)3和儲(chǔ)能器6的正極，儲(chǔ)能器的負(fù)極連接到地端2。
儲(chǔ)能器6可以是目前市場(chǎng)可獲得的任何類型，例如化學(xué)儲(chǔ)能器，最好是鋰離子儲(chǔ)能器和電化學(xué)電容，特別是通常用術(shù)語(yǔ)“超級(jí)容量”或“超級(jí)量”標(biāo)示的那些。
值得注意的是，然而，本發(fā)明可以應(yīng)用到其它方面，其中由一個(gè)或多于一個(gè)需要由電池1提供功率的其它元件形成負(fù)載。
開(kāi)關(guān)晶體管7的源漏路徑連接在一方面由電感線圈4和二極管5形成的節(jié)點(diǎn)7和另一方面地2之間。
基準(zhǔn)電壓塊9連接在儲(chǔ)能器6的正極(端10)和地2之間。該基準(zhǔn)電壓塊提供電壓Vref，它被校準(zhǔn)到在端點(diǎn)3的電池的輸出電壓的最佳電壓值Vopt(圖1)。在描述的實(shí)例中，這里電池1最好是TiO2型電化學(xué)電池，該電壓被校準(zhǔn)為0.5V，如圖1的圖所示。
正如以前已經(jīng)指出的，描述的本發(fā)明應(yīng)用到鐘表，它的主要元件如圖2所示。這樣，該鐘表包括提供大約32KHz頻率脈沖信號(hào)的石英振蕩器11(精確值典型應(yīng)為32768Hz)。該振蕩器連接到分頻器12，它的最后輸出12a提供1Hz頻率的脈沖。這些脈沖提供給驅(qū)動(dòng)指針15的步進(jìn)電機(jī)14的控制電路13。
電壓Vsc和電壓Vref在比較器16內(nèi)加以比較，它們的輸入端分別連接到端點(diǎn)3和基準(zhǔn)電壓塊9的輸出端。該比較器16的輸出連接到電路17，它產(chǎn)生晶體管7的控制信號(hào)，它的輸出18為此目的連接到晶體管7的柵極。
晶體管7的控制信號(hào)產(chǎn)生電路17包括由兩個(gè)與門20和21和反相器22形成的采樣塊19。更精確而言，比較器16的輸出連接到與門20的兩個(gè)輸入的一個(gè)20a，和通過(guò)反相器22連到與門21的兩個(gè)輸入的一個(gè)21a。這些門20和21的另一個(gè)輸入20b和21b共同連接到分頻器12的輸出12a，它們接收它的1Hz的信號(hào)。以這樣的方式，比較器16的輸出以每秒一個(gè)比較信號(hào)的節(jié)律被采樣，該值明顯僅由示例方式加以選取的。
與門20和21的輸出20C和21C分別連接可逆計(jì)數(shù)器23的加計(jì)數(shù)輸入23a和減計(jì)數(shù)輸入23b。這后者計(jì)數(shù)器包括通過(guò)從0至7的二進(jìn)制數(shù)字指示它內(nèi)容的三個(gè)輸出Q0，Q1和Q2。然而，在這個(gè)例子中，僅僅前6個(gè)值被使用，即位置“7”被阻斷。
發(fā)生器電路17也包括分別連接到可逆計(jì)數(shù)器23的輸出Q0，Q1和Q2的第一個(gè)輸入24a，24b和24c的組合邏輯24，和分別連接振蕩器11的輸出和分頻器12的兩個(gè)附加輸出12b和12c的第二輸入24d，24e和24f。這些輸出分別提供近似8KHz和16KHz的脈沖。組合邏輯24具有輸出24g，在此它呈現(xiàn)在晶體管7柵極的控制信號(hào)Fc。
組合邏輯24的圖呈現(xiàn)在圖3中。由此可以看出，在所示的實(shí)施例中，它包括三個(gè)或門25，26，27，它們的輸出施加到與門28的各自輸入端。這后者的輸出連接到“RNSFF”(復(fù)位-非-置位雙穩(wěn))型雙穩(wěn)觸發(fā)器29的置位輸入S。該雙穩(wěn)具有復(fù)位輸入R，分頻器12的輸出12b來(lái)的信號(hào)施加到R端，它具有的頻率為8Khz。
或門25，26和27的每一個(gè)輸入分別連接到組合邏輯24的一個(gè)輸入24a，24b，24c和這樣接收分別稱為i24a，i24b和i24c的信號(hào)，它們一塊表示的值能在0到6之間變化和被稱為i。該值i在可逆計(jì)數(shù)器23中具體化。
或門25，26和27的另一個(gè)輸入分別連到后者的輸入24d，24e和24f和分別接收被指定為E32k，E16k和E8k的具有頻率為32，16和8KHz的信號(hào)。
繼而，通過(guò)指定與門輸出28為EQ，下述的邏輯等式可以做出EQ＝(E8K+i24c)*(E16k+i24b)*(E32k+i24a)雙穩(wěn)態(tài)電路29傳送與門28的輸出EQ，以產(chǎn)生到晶體管7的柵極的控制信號(hào)Fc，應(yīng)當(dāng)理解，在施加到雙穩(wěn)輸入S的信號(hào)的上升沿，輸出Fc傳送“1”，和在施加到輸入R的信號(hào)的后沿，輸出Fc傳送“0”。
組合邏輯24操作涉及的各種波形如圖4所示。
結(jié)果是，晶體管7控制信號(hào)Fc的占空度，因此，電流從太陽(yáng)能電池流向負(fù)載6，以下述方式變化。如果Vsc＞Vref，每秒可逆計(jì)數(shù)器21加1，如果Vsc＜Vref，則減1。計(jì)數(shù)器內(nèi)容變化導(dǎo)致以給定占空度選取作為組合邏輯24介入的邏輯信號(hào)組合的函數(shù)。
下表可以勾畫(huà)出占空度表
當(dāng)Vsc接近基準(zhǔn)電壓Vref時(shí)，該系統(tǒng)本身是穩(wěn)定的，即每秒它將試圖建立最佳占空度，以提供在最好可能輸出狀況下所做的電壓轉(zhuǎn)換。
值得注意的是，本發(fā)明提供了操作全數(shù)字化的電壓提升器。它的使用在由石英驅(qū)動(dòng)的鐘表的數(shù)字化電路中的優(yōu)點(diǎn)十分突出。
通過(guò)增加附加的級(jí)到可逆計(jì)數(shù)器和通過(guò)適配的組合邏輯增加了占空度的解決方案。
值得注意的是，不同的塊9，11，12，13，14，16和17(見(jiàn)圖2)可以應(yīng)用儲(chǔ)能器6。
值得注意的是，以前描述的各種功能可以通過(guò)其它的數(shù)字電路加以完成，特別是考慮到組合邏輯，其它的頻率值和其它的基準(zhǔn)電壓值Vref，對(duì)于使用的每一種類型的太陽(yáng)能電池，該后者不得不被作為最好的選取。
權(quán)利要求
1.由光電池(1)提供低電壓的電壓提升器被安排施加到負(fù)載(6)，所說(shuō)的電壓提升器包括在所說(shuō)電池(1)和所說(shuō)負(fù)載(6)之間串聯(lián)連接的電感線圈(4)和阻塞二極管(5)，在所說(shuō)電感線圈(4)和所說(shuō)二極管(5)之間的節(jié)點(diǎn)(8)通過(guò)開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件(7)連接到所說(shuō)電池(1)和所說(shuō)負(fù)載(6)之間的公共節(jié)點(diǎn)(2)，所說(shuō)電壓提升器還包括調(diào)節(jié)裝置(11，12，16，17)以施加脈沖控制信號(hào)(Fc)到所說(shuō)的開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件(7)，它的占空度是可調(diào)節(jié)的，其特征在于，所說(shuō)的調(diào)節(jié)裝置(11，12，16，17)是如此安排的，以調(diào)節(jié)占空度，使得跨在所說(shuō)電池(1)兩端(2，3)的電壓(Vsc)實(shí)質(zhì)上等于實(shí)際上對(duì)應(yīng)所說(shuō)電池(1)電壓—功率(A，B)特性曲線上的最大值的預(yù)定的電壓(Vopt)。
2.權(quán)利要求1的電壓提升器，其特征是所說(shuō)預(yù)定的電壓(Vopt)近似為0.5V。
3.權(quán)利要求1的電壓提升器，其特征是所說(shuō)預(yù)定的電壓(Vopt)等于兩個(gè)太陽(yáng)能電池的電壓，近似為1伏。
4.權(quán)利要求1，或2或3的電壓提升器，其特征是它包括基準(zhǔn)電壓源(9)，用以提供等于所說(shuō)電壓最大值(Vopt)的所說(shuō)基準(zhǔn)電壓(Vref)，其中所說(shuō)調(diào)節(jié)裝置包括比較器(16)，用以比較所說(shuō)基準(zhǔn)電壓(Vref)和跨在所說(shuō)電池兩端(2，3)的電壓，和電路(17)用以依照所說(shuō)基準(zhǔn)電壓(Vref)是小于或大于跨在所說(shuō)電池(1)兩端(2，3)的電壓(Vsc)，來(lái)產(chǎn)生可以改變所說(shuō)占空度值的所說(shuō)控制信號(hào)(Fc)。
5.權(quán)利要求4的電壓提升器，其特征是基準(zhǔn)電壓(Vref)的所說(shuō)的源(9)連接在所說(shuō)負(fù)載(6)的兩端和從所說(shuō)負(fù)載兩端的電壓產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。
6.權(quán)利要求4或5的電壓提升器，其特征是所說(shuō)的調(diào)節(jié)裝置也包括裝置(11，12，19)，用于采樣所說(shuō)比較器的輸出信號(hào)，從而影響所說(shuō)占空度的周期調(diào)節(jié)。
7.權(quán)利要求6的電壓提升器，其特征是所說(shuō)的調(diào)節(jié)裝置包括連接到采樣裝置上并且其內(nèi)容作為所說(shuō)比較器影響的比較結(jié)果的函數(shù)變化的可逆計(jì)數(shù)器(23)，和產(chǎn)生大量不同頻率的脈沖信號(hào)的裝置(11，12)和組合邏輯(24)用于連接到所說(shuō)可逆計(jì)數(shù)器(23)的輸出端和所說(shuō)產(chǎn)生器裝置(11，12)的輸出端和能夠建立所說(shuō)占空度作為所說(shuō)可逆計(jì)數(shù)器(23)的內(nèi)容的函數(shù)。
8.鐘表包括前面權(quán)利要求任何一個(gè)的電壓提升器。
全文摘要
在該電壓提升器中,在光電電源(1)兩端的電壓被調(diào)節(jié)作為基準(zhǔn)電壓(Vref)的函數(shù),該基準(zhǔn)電壓實(shí)質(zhì)上等于該源的電壓功率曲線最大值對(duì)應(yīng)的電壓,在基準(zhǔn)發(fā)生器(9)內(nèi)產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓和源(1)的電壓(Vsc)加以比較,其結(jié)果被采樣和影響施加到開(kāi)關(guān)晶體管(7)的控制信號(hào)(Fc)的占空度。該后者是通過(guò)電感線圈(4)和二極管(5)從源流向負(fù)載(儲(chǔ)能器6)的電流斬波負(fù)責(zé)的。
文檔編號(hào)H02M3/155GK1195795SQ98107719
公開(kāi)日1998年10月14日 申請(qǐng)日期1998年2月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月17日
發(fā)明者J·－P·瓦藤霍菲爾, P·A·法里內(nèi) 申請(qǐng)人:阿蘇拉布股份有限公司