一种智能锁的内置发电装置的控制电路及其控制方法与流程

本发明涉及智能锁领域，特别涉及一种智能锁中内置发电装置的控制电路及其控制方法。

背景技术：

智能锁是指区别于传统机械锁，在用户识别、安全性、管理性方面更加智能化的锁具。

目前市场上的智能锁，都是使用电池作为工作电源。这些智能锁，用可充电电池的，需要定时充电；用一次性电池的，需要定时更换电池。否则，当电池电量过低，智能锁就会宕机，无法实现应有的功能，甚至会将用户“锁”在门外。严重影响了用户的体验和对智能锁产品的信心。

目前，解决智能锁因电量不足宕机问题的设计方案中，大部分方式是提供备份电源。具体的实现方式，一般是在智能锁上预留一个可以与外部互联的接口，例如microUSB接口，或者两脚的9V电源接口。外部的备份电源连接到此接口上，为智能锁供电。常采用的备份电源为市面上常见的各类“充电宝”，或者是9V的干电池。

这类解决方案存在以下一种或几种不足：

1、不容易获得：“充电宝”和9V干电池都需要去专门的电子市场购买。

2、用户需随身携带。如果用户没有携带，只有供电接口，解决不了问题。

3、电源电压匹配问题。9V干电池作为供电电源，一般需要在智能锁内部引入一级电源转换器，转换成智能锁可接受的电压范围。

4、安全性问题。暴露在外的供电接口，如果防护措施没有做好，很容易成为不法分子破坏智能锁的“后门”。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种智能锁中内置发电装置的控制电路，不需要智能锁之外的任何电源，能够从电能转换装置获取电能，并存储；能够自动判断何时电能已经搜集和存储完成，并在完成时，自动向后续负载供电；且在供电电压跌落出后续负载的正常工作电压范围外之前，自动切断供电。

本发明实施例提供的智能锁中内置发电装置的控制电路，其特征在于，包括：储能元件A，分压网络B，分压网络C，控制开关组D，分压网络E以及单向控制F，其中：储能元件A，用于接收所述内置发电装置的输出电压，并将该电压存储；分压网络B、分压网络C、以及分压网络E，用于对所述储能元件A输出的电压和向负载提供的输出电压VOUT进行分压，以控制所述控制开关组D导通或截止；控制开关组D，用于控制所述内置发电装置向负载提供输出电压VOUT，当该控制开关组D处于导通状态时，所述内置发电装置为所述负载供电；当该控制开关组D处于截止状态时，所述内置发电装置停止向所述负载供电；单向控制F，与所述分压网络E串联连接，用于控制所述控制电路中分压网络E支路电流的单向导通。

较佳地，该控制电路还包括：辅助单元，所述辅助单元用于在其所处的电路支路中完成限流、分压或整形。

较佳地，所述储能元件A包括一个或多个电容。

较佳地，所述分压网络B、C、E至少包括电阻、电容或二极管其中的一种。

较佳地，所述单向控制F的一端连接所述输出电压VOUT，另一端与所述分压网络E的一端串联连接，所述分压网络E的另一端连接所述控制开关组D的输入端。

较佳地，所述单向导通为从所述输出电压VOUT端到所述分压网络E的方向导通。

较佳地，所述负载为智能锁功能电路。

该控制电路的控制方法包括如下步骤：1）、储能元件A从内置发电装置的输出电压获取电能并存储；2）、随着储能元件A内部电能的累积，通过分压网络B和分压网络C将电压施加到控制开关组D的控制端，当该电压大于第一阈值时，控制开关组D处于导通状态，所述储能元件A向所述输出电压VOUT端供电；3）、当所述控制开关组D导通后，分压网络E和单向控制F形成的反馈通路将所述输出电压VOUT反馈，使得施加到控制开关组D控制端的电压进一步拉高，从而使所述储能元件A持续为负载供电；4）、随着储能元件A内部电能的逐渐减少，通过分压网络B、分压网络C和分压网络E提供给控制开关组D控制端的电压也会逐渐降低，当该电压小于所述第一阈值时，控制开关组D处于截止状态，所述储能元件A停止为所述负载供电。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

第一、不需要智能锁之外的任何电源以及其它电气部件参与，免除了用户需随身携带备用电源的烦恼。

第二、通过设置参数，此内置发电装置与该控制电路的结合可与智能锁的电池电源实现兼容，可省去电源电压转换器件的成本。

第三、智能锁不需要对外留出电源接口，减少了不法分子破坏智能锁的可乘之机。

附图说明

图1是本发明第一实施例控制电路的拓扑结构图；

图2是本发明第一实施例控制电路的连接结构图；

图3是本发明第一实施例控制电路的电压波形图；

图4是本发明第二实施例控制电路的拓扑结构图；

附图标记：附图3中的标记说明，1—电容C1两端的电压、2—向负载提供的输出电压VOUT端的电压、3—晶体管M1的栅极电压。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中涉及的“内置发电装置”是指可集成在智能锁上的电源转换系统，例如手摇机械发电机，或者其它形式的电能转换装置。

实施例一：

参见附图1，该实施例涉及的控制电路，包括：储能元件A，分压网络B，分压网络C，控制开关组D，分压网络E以及单向控制F。

其中储能元件A具有电压输入端VIN，用于接收所述内置发电装置的输出电压，并将该电压存储；分压网络B的一端连接所述电压输入端VIN，另一端连接分压网络C的一端，用于对储能元件A输出的电压进行分压；分压网络C的另一端直接接地；同时，分压网络C的所述一端连接控制开关组D的输入端，提供电压以控制所述控制开关组D导通或截止；所述控制开关组D，用于控制所述内置发电装置向负载提供输出电压VOUT，当该控制开关组D处于导通状态时，所述内置发电装置为所述负载供电；当该控制开关组D处于截止状态时，所述内置发电装置停止向所述负载供电；单向控制F的一端连接所述输出电压VOUT，另一端与所述分压网络E的一端串联连接，所述分压网络E的另一端连接所述控制开关组D的输入端，单向控制F和分压网络E形成了所述控制电路的反馈分支，将所述输出电压VOUT反馈到所述控制开关组D的输入端，同时也阻止电流从所述电压输入端VIN流向所述输出电压VOUT端。

相应于上述控制电路，其控制方法包括如下步骤：1）、储能元件A从内置发电装置的输出电压获取电能并存储；2）、随着储能元件A内部电能的累积，通过分压网络C施加到控制开关组D的电压升高，当该电压大于第一阈值时，控制开关组D处于导通状态，所述储能元件A与所述输出电压VOUT端处于连接状态；3）、同时，分压网络E和单向控制F形成的反馈通路将所述输出电压VOUT反馈，使得施加到控制开关组D的电压进一步拉高，确保所述储能元件A持续为所述负载供电；4）、随着储能元件A内部电能的逐渐减少，通过分压网络C和分压网络E提供给控制开关组D的电压也会逐渐降低，当该电压小于所述第一阈值时，控制开关组D处于截止状态，所述储能元件A与所述输出电压VOUT端处于截止状态，所述储能元件A停止为所述负载供电。

参见附图2，本发明第一实施例涉及的控制电路中的储能元件A优选为电容C1，分压网络B优选为电阻R1，分压网络C优选为电阻R2，控制开关组D优选为由NMOS管M1、PMOS管M2以及电阻R4组成的电路形成，分压网络E优选为电阻R3，单向控制F优选为二极管D1，优选地，图中的VIN网络接智能锁上内置发电装置的输出，VOUT网络连接智能锁功能电路。

附图2中涉及的电路的工作流程如下：电容C1从内置发电装置获取电能，并储存。当电容C1中没有储存电能时，C1的两个电极之间电压为0V；当内置发电装置开始输出电能，电容C1开始获取并存储，其两个电极之间电压开始正向增长，并随着电容内部电能的累积，两个电极之间电压也逐渐升高。NMOS管M1、PMOS管M2以及电阻R4组成的电路构成开关组，开关组的“导通”和“截止”状态由NMOS管M1的栅极电压控制，当NMOS管M1的栅极电压（记为Vg1）大于NMOS管M1固有的开启电压（记为Vg1(th)）时，NMOS管M1处于“导通”状态。由于NMOS管M1“导通”，PMOS管M2的栅极被下拉到地电平，使得PMOS管M2也处于“导通”状态，这样使得VIN网络与VOUT网络处于连接状态，VIN端所连接的内置发电装置可为VOUT端所连接的智能锁功能电路供电，此时开关组整体处于“导通”状态；当NMOS管M1的栅极电压Vg1小于NMOS管M1固有的开启电压Vg1(th)时，NMOS管M1“截止”，由于NMOS管M1“截止”，PMOS管M2的栅极通过电阻R4被上拉到与PMOS管M2的源极同样的电位，使得PMOS管M2也处于“截止”状态，这时VIN网络与VOUT网络之间的连接被切断，VIN端所连接的内置发电装置无法为VOUT端所连接的智能锁功能电路供电，此时开关组整体处于“截止”状态。

由此可见，该控制电路能够自动判断何时电能已经搜集和存储完成，并在完成时，自动向智能锁功能电路供电。供电过程中，在供电电压跌落出智能锁功能电路的正常工作电压范围外之前，自动切断供电。

附图2中电阻R1，R2，R3是三个提供分压功能的电阻。二极管D1主要是用于控制电流的单向流动。这四个电子器件，决定了开关组“导通”和“截止”的时机。具体描述如下：

当电容C1中没有电能时，电容C1对地的电压Vc=0V，NMOS管M1的栅极电压Vg1由所述电压Vc经电阻R1和R2分压得到，此时该栅极电压Vg1=0V，且该栅极电压Vg1<NMOS管M1固有的开启电压Vg1(th) ，开关组处于“截止”状态。电容C1处于采集和储存电能的阶段，随着内置发电装置输出电能，电容C1存储电能，电压Vc升高，所述栅极电压Vg1也随之按比例升高；当所述栅极电压Vg1升高至所述开启电压Vg1(th)时，开关组由“截止”转到“导通”状态，电容C1开始向智能锁功能电路供电，此时刻所述电压Vc 的值记为Vc(th1)。当开关模块刚“导通”时，VOUT端的电压（约等于所述电压Vc）通过由电阻R3和二极管D1构成的正反馈通路后，立即将所述栅极电压Vg1拉升到远大于所述开启电压Vg1(th)的电压，确保了电容C1可持续为智能锁功能电路供电。

二极管D1的单向导电性，可确保电容C1的电压Vc在升高至所述Vc(th1)之前，电容C1不会通过由电阻R1、R3、以及二极管D1组成的这条通路向智能锁功能电路供电；同时，由于电路中存在由电阻R3和二极管D1构成的正反馈通路，使得当电容C1的电压Vc刚开始降低时，所述栅极电压Vg1也不会随着立刻降低到小于所述开启电压Vg1(th)，开关模块不会立刻“切断”，进而能够确保电容C1持续为智能锁功能电路供电。

若此后内置发电装置没有继续输出电能，或者内置发电装置的发电功率小于智能锁功能电路的功率，则电容C1中的电能会逐渐减少，其两端的电压Vc也会逐渐降低，随着该电压Vc的降低，所述栅极电压Vg1也随之按一定比例降低，最后，当该栅极电压Vg1降低到小于所述开启电压Vg1(th)时，开关模块“截止”，电容C1停止供电，此时刻其两端的电压Vc的值记为Vc(th2) 。

以上只是例举，储能元件A不限于单个电容，可以由一个或多个电容组成，也可以由本领域技术人员熟知的其它具有存能功能的元件组成；三个分压网络B、C、E，每个都是由一个或多个电子元器件构成的具有分压功能的模块，此处的电子元器件包括但不限于电阻、电容、二极管等；单向控制F不仅仅限于二极管，可以是由一个或多个电子元器件构成的具有单向导电特性的模块；控制开关组D也不仅仅限于附图2中所示的电路，可以是由一个或多个电子元器件构成的、可控制的、具有“开关”功能的模块，此处的电子元器件包括但不限于电阻，电容，电感，二极管，MOS管，晶体管，电子管，光电耦合器，电磁继电器等。

参见附图3，用示波器实际测量的上述控制电路中各电压的波形。其中CH1通道（附图标记为1）表示电容C1两端电压的波形，CH2通道（附图标记为2）表示向负载提供输出电压VOUT端的电压的波形，CH3通道（附图标记为3）表示晶体管M1的栅极电压的波形。

从附图3波形图中可以看出，从A时刻到B时刻之间，控制开关组处于“截止”状态，电容C1处于储存电能阶段，其两端的电压Vc逐步升高，NMOS管M1的栅极电压Vg1也随之升高，VOUT网络电压始终为0V。在B时刻，所述栅极电压Vg1升高到NMOS管M1固有的开启电压Vg1(th)，控制开关组“导通”，VOUT端电压升高至约等于电压Vc；同时，VOUT端电压通过由电阻R3和二极管D1构成的正反馈通路将所述栅极电压Vg1瞬间拉升到比较高的电压，从而确保电容C1持续为智能锁功能电路供电。

B时刻到C时刻之间，电容C1存储电能减少，其两端的电压Vc降低，所述栅极电压Vg1也随之降低；在C时刻，所述栅极电压Vg1降低到所述开启电压Vg1(th)，控制开关组“截止”，此时所述栅极电压Vg1 重新由电阻R1和R2分压得到（控制开关组“导通”时由电阻R1、R2和R3分压得到），故有一个瞬间跌落的过程，VOUT端的电压此后逐渐降低至0V。

实施例二：

参见附图4，该实施例涉及的控制电路，包括：储能元件A，分压网络B，分压网络C，控制开关组D，分压网络E、单向控制F以及一些辅助单元。

相比于第一实施例，该控制电路中增加了一些辅助单元，具体为：在所述电压输入端VIN和所述控制开关组D的输入端之间增加所述辅助单元；在分压网络E的一端和所述控制开关组D的输入端之间增加所述辅助单元；在单向控制F的一端和所述输出电压VOUT端之间增加所述辅助单元；在所述控制开关组D的输出端和所述输出电压VOUT端之间增加所述辅助单元。

该些辅助单元为电路的可增加项，每个都是可选的，每个都是由一个或多个电子元器件构成的模块，这些辅助单元用于在其所处的电路支路中完成限流、分压、整形以及其它优化功能，但是其功能包括但不限于优化，调整等功能。

本发明至少具有以下有益的技术效果：

1、控制电路是从内置发电装置获取电能，完成所有的功能，不需要额外的电源提供电能。通过选取合适的参数，可使该控制电路的功耗极低，从而保证从内置发电装置发出的电能几乎都用于驱动智能锁功能电路，提高电路运行效率。

2、由于该控制电路是先采集和储存电能，等储存足够的电能后，才开始为智能锁功能电路供电，这样的工作模式使得对内置发电装置的发电功率没有太多限制，即使内置发电装置的发电功率小于智能锁功能电路的额定功率，也可以实现由内置发电装置为智能锁功能电路供电。

3、当开关组“导通”和“截止”时，电容C1两端的电压 Vc(th1)和Vc(th2)并不相同，且Vc(th1)> Vc(th2)，通过电阻R1，R2，R3和二极管D1的参数的适当选取，可改变所述Vc(th1)和Vc(th2)的值，进而控制电容C1中存储的能量；并且通过控制Vc(th2)的值大于智能锁功能电路的额定工作电压，可使所述智能锁功能电路可靠断电，进而避免由于供电电压进入其临界工作电压区间触发不稳定的工作状态导致的不可控情况的发生。

尽管己描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。