专利名称：以脉宽周期控制来影响电源消耗的脉宽控制式直流-直流转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种方法，其通过电感器运载电流的方法把直流电源
(DC power)转换为电池充电电源，且此电流在一可调整的脉宽周期部 分期间由电源控制器所控制。
本发明还涉及一种电压转换的装置，其包括连接至直流源的直流一 直流转换器，且所述直流一直流转换器提供电感器，电源控制器连接至 此转换器，并提供脉宽调制器，用来在一可调整的脉宽周期部分控制电 感器电流，以对电池进行充电。
举例来说，如此的一种方法和装置可应用在可充电式设备上，例如， 移动电话、膝上型轻便电脑(laptops)、电子记事本(organisers)、庭园 灯、道路警示标志(road studs)，以及其他由一个或一个以上太阳能电 池或燃料电池供电并配备有可充电式电池或蓄电池的装置，以供应负载 电源，例如一光源，诸如一个或一个以上发光二极管。
背景技术：
包括一直流一直流转换器的现有装置，其将电池(cell)所提供的电 源转换为直流电源，以适合分配电源给电池(battery)和/或负载。 一般 来说，此装置还包括有一电源控制器连接至转换器，以控制此转换器的 直流电源输出，使得此转换器的效率可尽量提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方法与装置，其具有改善和降低电源消 耗的能力。
此外，根据本发明的方法的特征在于此脉宽周期是可调整的，以影响电源控制器的电源消耗。
因此，根据本发明的装置的特征在于此电源控制器包括有调整所述 脉宽周期的装置，所述可调整式装置是可控制的，以影响此电源控制器 的电源消耗。
根据本发明的方法与装置的优点在于，在实践方面不应只着重于使 此直流—直流转换器的效率优化，反而考虑优化转换器与电源控制器结 合的电源消耗才是最重要的。本发明人发现此电源控制器耗费大部分的 总电源来转换和控制直流输出电源，特别是但不限定于在低电源输出周
期的期间。电感器电流的控制与切换是通过一脉宽调制器(Pulse Width Modulator, PWM)来完成，此调制器通常在某些特定周期的范围内运 作，此时所述电感器电源的脉宽调制器才产生作用。由此可发现，电源 控制器转换器(power controller converter)用来将直流输入电源转换为 直流输出电源的电源消耗，会受到这些通常遭限制与固定的脉宽调制器 周期所影响。
根据本发明的方法的一实施例，其特征在于脉宽周期的延长可以减 少此电源控制器的电源消耗。
根据本发明的方法的一优选实施例的优点，其特征在于此脉宽周期 是从一位于电源控制器内的微处理器的时钟频率(clock frequency)所推 算出来。如此，此脉宽调制器周期可仅通过减少此电源控制器的时钟频 率而有效地减少，然后，所述时钟频率的减少会减少微处理器控制电源 控制器本身的电源消耗，进而提供更有优势的结合性能功效。
根据本发明的方法的一优选实施例，其特征在于通过适当地降低此 电源控制器的电池供应电压，此电源控制器的电源消耗甚至可减少更多。
根据本发明的方法与装置的更多优点与优选实际实施例详细阐述于 其他附属权利要求中。
下文通过具体实施例配合所附的图式详加说明，将更容易了解本发 明的目的、技术内容、特点及其所实现的功效。
第1图是展示包含有本发明特征的电源转换装置的概要方框示意
第2图是展示第1图的装置的详细示意图；以及
第3图是展示根据本发明的方法的脉宽和脉宽周期控制的时间曲线图。
具体实施例方式
第1图是展示一概要的方框示意图，第2图则是展示此示意图的直 流电源转换装置1的更详细示意图，特别是电压升压转换器(voltage up —converter),也称为升压转换器(boost converter),包括直流电源2， 例如燃料电池， 一个所谓的超级电容器或是一个或一个以上太阳能电池， 以负载一个或一个以上电池BATT1，例如镍一镉电池、锂离子聚合物电 池或锂聚合物电池。此装置1更包括直流一直流转换器，以参考图号3 表示，此直流一直流转换器3连接到此直流电源2。此直流一直流转换 器3具有电感器L2，其电感器电流IL2周期性地受所述装置1的电源控 制器5所控制，此电源控制器5经由控制端TP2连接到直流一直流转换 器3。此控制端TP2经由一所谓的图腾柱驱动器(Totempole driver)连 接到电源控制器5，此图腾柱驱动器包括有可控制的半导体T3和T4， 其由一般用途的微处理器IC1所控制。此电源控制器5包括一知名的脉 宽调制器(图中未示)，用以控制所述电感器电流IL2，在连续不断的脉 宽周期P的可调整区块尺寸部分期间，其为第3图中上半部的TP2所标 示。在此情况下，在周期P内，此脉冲的下降边缘是根据在电源控制器 5内载有的功率点追踪算法(power point tracking algorithm)而变化的(以 箭头标示)。这样的算法经装配并微调来优化其最大功率，而不是最大转 换效率，此装置1整个输出到一负载，如图所示的一个或两个发光二极 管D2和D3。此发光二极管可启动或关闭或闪烁，无论是否以一些可调
6整式频率的轮流方式。在此，这些发光二极管是以电池BATT1来驱动， 假如有足够数量的太阳能提供给此太阳能电池2，电池BATT1可同时被 装置1负载，太阳能电池连同电池于是形成实际的直流源2。
第3图是为了解脉宽调制器周期P控制操作的必要图式。在第3图 上方所标示区块部分TP2的期间，此电感器电流IL2增加，且由于此电 流在TP2的下降边缘处截断，使得电感器线圈L2将提供一感应电压 (induction voltage),其经由半导体元件D5和T6提供经控制的整平电池 电流(controlled leveled off battery current)来负载所述电池。这个程序 本身将在随后的周期P期间不断重复。P通常为一固定持续期间，且通 过在此模式中变化周期P内的下降边缘，使此负载受到上述算法的优化 控制，持续追踪落到太阳能电池2上的光照量。此电源控制器5包括在 所述微处理器控制器中执行调整的工具，以调整在另一模式的延长脉宽 周期P'的期间，如第3图的下方图表所示，其中此新周期P'的期间大概 是原本周期P的两倍。此脉宽调制器频率(1/F)的下移(lowering)导 致此电源控制器5的电源消耗的减少。调整工具(adjusting means)使此 周期P'变为可控制的，且因此而影响此电源控制器的电源消耗，此应用 于所述装置l来节省电源，否则，电源会因为较短的脉宽调制器周期P' 的期间而浪费。在某些国家例如我们国家的日光并未如愿能达到有效衍 生足够太阳能的效果，而此装置1现在变得可利用太阳能来驱动更广泛 的设备，甚至在较低的太阳能标准足够模式所控制的能源，现在变为可 对电池2充电和/或用以驱动负载D2、 D3。
当然，在一个具有较短P'周期的主动充电模式与一个具有较长P'周 期的减少电源消耗控制器模式之间进行电源控制器5的切换是可行的。 在前者模式期间，此电感器电流IL2强度是通过此脉宽周期的所述部分 TP2的正常调整来控制；以及在后者模式期间，此脉宽周期P'被延长， 且现在的脉宽部分TP2'已经调整。
太阳能电池设备的一个重要目标是在所有日光状态下从太阳能电池取出最大功率。基于对太阳能电池的认知，当此太阳能电池的开路端(无
负载)电压(open terminal voltage)有例如大约为80%的比例被上述算 法使用，所述电源控制器5将至少会为了负载电池BATTl而要忙于功率 点追踪(power point tracking)。假如此开路端电压下降低于所述80%， 此太阳能电池电流为低，于是所述电源控制器5由其转换器模式切换为 低电源消耗(睡眠)模式，而在此期间的脉宽周期被延长，但此期间的 负载(发光二极管)电流则被加以控制了。更有利的是，此最大功率控 制策略无须任何电流测量工具，也不需要利用测量电流来控制电流，此 举可节省成本、其体积以及珍贵的能源。实际上，此太阳能电流不需要 被测量还是会被计算出来，其与一些磁滞现象(hysteresis) —起用在切 换点之间，以在所述转换器模式与所述睡眠模式间进行实际切换。
在短瞬间，此开路端电压被定期的测量，以达到控制策略的温度校正。
有效地实施一方法和采取必要的技术措施，以便从一时钟频率产生 出相对应的脉宽频率，此时钟频率是由一本地的可能为内部的时钟所提 供。此时钟产生器通常连接到分配器(divider),而产生器或振荡器通常 包含在所述电源控制器5的微处理器IC1内。再者，时钟频率的降低会 减少如此一电源控制器的电源消耗，此时的减少更具有剩余效应(surplus effect)以提供额外的电源减少；其原因之一是由于所述时钟频率的降低， 且另一原因则是脉宽调制器频率的降低。
第1图和第2图是显示省电源的更多特征。其中半导体元件T6也 受电源控制器5所控制，在有些情况下，半导体元件T6完全绝缘电源 与电池，以防止漏电流通过二极管D5。 二极管D5也可为一肖特基二极 管(Schottky diode),此肖特基二极管(Schottky diode)已知具有温度 相依性漏电流的重要特性，如果不是因为上述特征，则会因此而用尽电 池。 同样地，半导体元件T4是受电源控制器5所控制，实际上是绝缘所述电池与所述负载D2、 D3，或是作为一半导体切换，其利用切换电 压(大约为0.6伏特)来降低所述微处理器电源控制器5的供应电压VDD， 因此可有效地减少此电源控制器5的电源消耗。在此实例中，T4对于此 电源控制器5至少是作为一个可切换控制器供应减少电压的工具。
此外，负载D2、 D3的电源消耗可能会被一可控制式平行排列的数 电阻R6和R11-R27所影响和优化，所述电阻一方面作为分压器(voltage divider)连接到电池与负载之间的路径上，而另一方面则连接到电源控 制器5，以适当地包含或排除所述电阻器。高欧姆电阻R9和R10是用 以防止IC1输出不必要的输出电流(unwantedly drawing output currents )。
此电源控制器5包括一般已知的解码工具(图中未示)，其连接到直 流源2和电源控制器5的引脚(pin) 4，只要一预设的太阳光序列匹配 于存储在电源控制器5的内部存储器的序列，即能启动所述电源控制器 5。在启动所述电源控制器5后，所述电源控制器则从睡眠模式被唤醒变 为主动控制所述电感器电流IL2。
此电源控制器5的引脚18连接到红外线(IR)感应半导体元件T5， 以通过红外线照射在T5的方法来对所述电源控制器5编程。
以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想和特点，其目的在使 所属领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能以之限定 本发明的专利范围，即凡是依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修 饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。
9
权利要求
1.一种方法，其是通过电感器运载电流的方法将直流电源转换为电池充电电源，所述电流在可调整的脉宽周期部分期间受电源控制器所控制，其特征在于所述脉宽周期是可调整的，且影响所述控制器的电源消耗。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述脉宽周期的延长可减少所述电源控制器的电源消耗。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中在主动充电模式时，所述电感器电流强度是通过调整所述脉宽周期部分来控制；以及在减少电源消耗控制器模式时，所述脉宽周期是被延长的。
4. 根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中所述脉宽周期是从位于所述电源控制器内的微处理器的时钟频率推算出来的。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中减少所述时钟频率则可更进一步减少所述电源控制器的电源消耗。
6. 根据权利要求4或5所述的方法，其中所述电源控制器的所述时钟频率是由内部振荡器所产生。
7. 根据权利要求1到6中任一权利要求所述的方法，其中通过所述电源控制器的电池供应电压的减少，可更进一步减少所述电源控制器的电源消耗。
8. —种电源转换装置，包括直流一直流转换器，连接到直流源，并提供电感器；电源控制器，连接到所述直流一直流转换器，并提供脉宽调制器，用以在可调整的脉宽周期部分，对电池进行充电；其特征在于所述电源控制器包括调整所述脉宽周期的工具，所述调整工具是可控制的，以影响所述电源控制器的电源消耗。
9. 根据权利要求8所述的装置，其中所述装置包括减少电源控制器供应电压的工具。
10. 根据权利要求9所述的装置，其中所述减少电源控制器供应电压的工具可能为可控制式的半导体元件，其串接于所述电池与所述电源控制器的供应电压端之间的路径上。
11. 根据权利要求8到10中任一权利要求所述的装置，其中所述装 置包括有可控制式平行排列的电阻，其一方面作为分压器(voltage divider)连接到所述路径和经由负载连接到所述电池，而另一方面则连 接到所述电源控制器。
12. 根据权利要求8到11中任一权利要求所述的装置，其中所述装 置包括有抗漏电元件，其串接到所述电感器与所述电池之间的路径上。
13. 根据权利要求12所述的装置，其中所述抗漏电元件是可控制式 半导体的可控制式主要串流路径，其耦接到所述电源控制器。
14. 根据权利要求12或13所述的装置，其中所述抗漏电元件包括单 向导电半导体，例如二极管或肖特基二极管。
15. 根据权利要求8到14中任一权利要求所述的装置，其中所述电 源控制器包括解码工具，连接到所述直流源，所述直流源装配有一个或 一个以上太阳能电池，当检测到预设的太阳能光序列时，即启动所述电 源控制器。
16. 根据权利要求8到15中任一权利要求所述的装置，其中所述装 置排列成道路警示标志，包括一个或一个以上太阳能电池作为直流源， 而可充电电池，例如镍一镉电池或锂聚合电池，以及一个或一个以上发 光二极管，以作为负载。
全文摘要
本发明描述一种方法，通过电感器运载电流而将直流电源转换为电池充电电源，所述电流在可调整的脉宽周期部分期间由电源控制器所控制。所述脉宽周期是可加以调整的，以影响所述控制器的电源消耗，所述控制器消耗用来控制直流-直流转换所消耗总电源的大量电源。提供数个额外的特征来改善效率，并进一步减少转换器和所述电源控制器两者的消耗的电源，其提供多种具有太阳能电池的产品和设备的新用途，例如道路警示标志。
文档编号H02J9/00GK101682211SQ200780052459
公开日2010年3月24日 申请日期2007年3月30日 优先权日2007年3月30日
发明者安妮·朱詹·奥新咖, 杰克波斯·哈门·思齐菲仑, 简·万讷, 门诺·卡多路斯 申请人:Intivation股份有限公司